WO1994007615A1 - Schall- oder ultraschallwandler - Google Patents

Schall- oder ultraschallwandler Download PDF

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WO1994007615A1
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piezoceramic
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Karl Flögel
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Endress U. Hauser Gmbh U. Co.
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    • 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
    • B06B1/0644—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 a single piezoelectric element
    • B06B1/0655—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 a single piezoelectric element of cylindrical shape
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the invention relates to a sound or ultrasound transducer with a round piezoceramic disk which can be excited to radial vibrations and with a metal ring surrounding the piezoceramic disk.
  • the operating frequency is usually the radial resonance frequency of the piezoceramic disk, which is determined by the dimensions of the piezoceramic disk.
  • the diameter of the piezoceramic disc also determines the size of the sound radiation area, which is decisive for the opening angle of the generated sound beam.
  • a foam plate serving as an adaptation layer is glued onto one end face of the piezoceramic disc and has a substantially larger area dimension than that Piezoceramic disc has.
  • the protruding area of the foam sheet is connected to the metal ring surrounding the piezoceramic disk, which serves as a weighting ring, so that the interface between the weighting ring and the piezoceramic disk represents a node area which remains almost at rest during operation of the ultrasound transducer. This ensures that the full size of the free end face of the matching layer vibrates almost in phase.
  • the metal ring In order for the metal ring to have this effect of a weighting ring, it must not touch the piezoceramic disk.
  • the sound radiation area is enlarged compared to the area of the piezoceramic disk, but the operating frequency is still determined by the diameter of the piezoceramic disk. A reduction in the operating frequency can only be achieved by using a larger piezoceramic disc.
  • the object of the invention is to create a sound or ultrasound transducer of the type specified at the outset, which, given the dimensions of the piezoceramic disk, has an operating frequency which is reduced compared to the radial resonance frequency of the piezoceramic disk.
  • the metal ring surrounds the outer surface of the piezoceramic disk in a positive and non-positive manner so that it forms a radial oscillator with it.
  • the metal ring is firmly coupled to the piezoceramic disk for radial vibrations, so that the two parts form a mass-spring element which vibrates together in radial vibrations.
  • the total area of the radial oscillator thus formed acts as a radiation surface which oscillates completely in phase with an essentially Gaussian distribution of amplitudes, so that a small opening angle of the sound beam is achieved without disturbing side lobes.
  • the radial resonance frequency of this radial oscillator is lower than the radial resonance frequency of the piezoceramic disk; it is from the dimensions of the metal ring. It is therefore possible to manufacture sound or ultrasonic transducers with different operating frequencies by appropriate dimensioning of the metal ring using the same piezoceramic disks.
  • the metal ring is preferably connected to the piezoceramic disk by shrinking on.
  • a matching layer can be applied to one end face of the radial oscillator formed by the piezoceramic disk and the metal ring.
  • FIG. 2 shows the amplitude distribution over the radiation surface of the sound or ultrasound transducer from FIG. 1,
  • Fig. 3 shows the frequency characteristic of the piezoceramic disk of the sound or ultrasonic transducer of Fig. 1 and
  • FIG. 4 shows the frequency characteristic of the entire sound or ultrasound transducer from FIG. 1.
  • the acoustic or ultrasonic transducer shown in FIG. 1 consists of a round piezoceramic disk 10, on the two end faces of which metal electrodes 12, 14 are attached.
  • the piezoceramic disk 10 is surrounded by a metal ring 16 which is in a non-positive and positive connection with the outer surface of the piezoceramic disk.
  • the metal ring 16 can be connected to the piezoceramic disk 10, for example by shrinking, that is to say that it is placed around the piezoceramic disk in the heated state and when it cools down Piezoceramic disk tightly encloses.
  • the metal ring 16 consists, for example, of aluminum.
  • FIG. 2 shows the amplitude distribution of the vibrations over the entire surface of the radial oscillator consisting of the piezoceramic disk 10 and the metal ring 16.
  • the amplitude distribution largely corresponds to the desired Gaussian distribution.
  • the vibrations are in phase over the entire surface, so that a radiation diagram without disturbing side lobes is obtained, the opening angle of which is determined by the total area of the radial oscillator.
  • FIG. 3 shows the frequency characteristic of the piezoceramic disk 10, the radial resonance frequency being designated f. 4 shows on the same scale the frequency characteristic of the radial oscillator formed from the piezoceramic disk 10 and the metal ring 16. It can be seen that this radial oscillator has essentially the same frequency behavior as the piezoceramic disk 10, but the radial resonance frequency is considerably lower; it lies between the radial resonance frequency of the piezoceramic disk 10 and the radial resonance frequency of the metal ring 16. By appropriately dimensioning the metal ring 16, it is therefore possible to set a desired lower radial resonance frequency using the same piezoceramic disk 10.

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Abstract

Der Schall- oder Ultraschallwandler enthält eine runde Piezokeramikscheibe (10), die zu Radialschwingungen anregbar ist, und einen Metallring (16), der die Mantelfläche der Piezokeramikscheibe (10) form- und kraftschlüssig umschliesst, so dass er mit dieser einen Radialschwinger bildet. Der so gebildete Schall- oder Ultraschallwandler hat eine Abstrahlfläche, die der Gesamtfläche von Piezokeramikscheibe und Metallring entspricht, und eine Radialresonanzfrequenz, die niedriger als die Radialresonanzfrequenz der Piezokeramikscheibe ist.

Description

Schall- oder Ultraschallwandler
Die Erfindung betrifft einen Schall- oder Ultraschallwandler mit einer runden Piezokeramikscheibe, die zu Radialschwingun¬ gen anregbar ist, und mit einem die Piezokeramikscheibe umge¬ benden Metallring.
Bei einem Schall- oder Ultraschallwandler mit einer zu Radial¬ schwingungen anregbaren Piezokeramikscheibe ist die Betriebs¬ frequenz üblicherweise die Radialreεonanzfrequenz der Piezo¬ keramikscheibe, die durch die Abmessungen der Piezokeramik¬ scheibe bestimmt ist. Der Durchmesser der Piezokeramikscheibe bestimmt auch die Größe der Schallabstrahlfäche, die für den Öffnungswinkel des erzeugten Schallstrahls maßgeblich ist. Bei einem aus der DE-PS 25 41 492 bekannten Ultraschallwand¬ ler der eingangs angegebenen Art ist zur Verringerung des Öffnungswinkels bei gegebenen Abmessungen der Piezokeramik¬ scheibe auf die eine Stirnfläche der Piezokeramikscheibe eine als Anpaßschicht dienende Schaumstoffplatte aufgeklebt, die eine wesentlich größere Flächenabmessung als die Piezokeramik¬ scheibe hat. Der überstehende Bereich der Schaumstoffplatte ist mit dem die Piezokeramikscheibe umgebenden Metallring verbunden, der als Beschwerungsring dient, damit die Grenz¬ fläche zwischen dem Beschwerungsring und der Piezokeramik¬ scheibe eine Knotenfläche darstellt, die beim Betrieb des Ultraschallwandlers nahezu in Ruhe bleibt. Dadurch wird er¬ reicht, daß die freie Stirnfläche der Anpaßschicht in ihrer vollen Größe nahezu gleichphasig schwingt. Damit der Metall¬ ring diese Wirkung eines Beschwerungsrings ergibt, darf er die Piezokeramikscheibe nicht berühren. Bei diesem bekannten Ultraschallwandler ist zwar die Schallabstrahlfläche gegen¬ über der Fläche der Piezokeramikscheibe vergrößert, die Be¬ triebsfrequenz ist aber weiterhin durch den Durchmesser der Piezokeramikscheibe bestimmt. Eine Verringerung der Betriebs¬ frequenz kann nur durch Verwendung einer größeren Piezokera¬ mikscheibe erreicht werden.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Schall- oder Ultraschallwandlers der eingangs angegebenen Art, der bei gegebenen Abmessungen der Piezokeramikscheibe eine gegenüber der Radialresonanzfrequenz der Piezokeramikscheibe verringer¬ te Betriebsfrequenz aufweist.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Metallring die Mantelfläche der Piezokeramikscheibe form- und kraftschlüssig umschließt, so daß er mit dieser einen Radial¬ schwinger bildet.
Bei dem Schall- oder Ultraschallwandler nach der Erfindung ist der Metallring mit der Piezokeramikscheibe für Radial¬ schwingungen fest gekoppelt, so daß die beiden Teile ein in Radialschwingungen gemeinsam schwingendes Masse-Feder-Element bilden. Die Gesamtfläche des so gebildeten Radialschwingers wirkt als Abstrahlfläche, die mit einer im wesentlichen Gauß'sehen Amplitudenverteilung vollkommen gleichphasig schwingt, so daß ein kleiner Öffnungswinkel des Schallstrahls ohne störende Nebenkeulen erzielt wird. Die Radialresonanz¬ frequenz dieses Radialschwingers ist jedoch niedriger als die Radialresonanzfrequenz der Piezokeramikscheibe; sie ist von den Abmessungen des Metallrings abhängig. Es ist daher mög¬ lich, durch entsprechende Bemessung des Metallrings unter Verwendung gleicher Piezokeramikscheiben Schall- oder Ultra¬ schallwandler mit unterschiedlichen Betriebsfrequenzen herzu¬ stellen.
Vorzugsweise ist der Metallring mit der Piezokeramikscheibe durch Aufschrumpfen verbunden.
In üblicher Weise kann auf die eine Stirnfläche des von der Piezokeramikscheibe und dem Metallring gebildeten Radial- schwingungers eine Anpaßschicht aufgebracht sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Schall- oder Ultraschallwandler nach der Er¬ findung,
Fig. 2 die Amplitudenverteilung über die Abstrahlfläche des Schall- oder Ultraschallwandlers von Fig. 1,
Fig. 3 die Frequenzkennlinie der Piezokeramikscheibe des Schall- oder Ultraschallwandlers von Fig. 1 und
Fig. 4 die Frequenzkennlinie des ganzen Schall- oder Ultra¬ schallwandlers von Fig. 1.
Der in Fig. 1 dargestellte Schall- oder Ultraschallwandler besteht aus einer runden Piezokeramikscheibe 10, auf deren beiden Stirnflächen Metallelektroden 12, 14 angebracht sind. Die Piezokeramikscheibe 10 ist von einem Metallring 16 umgeben, der in kraft- und formschlüssiger Verbindung mit der Mantelfläche der Piezokeramikscheibe steht. Der Metallring 16 kann mit der Piezokeramikscheibe 10 beispielsweise durch Auf¬ schrumpfen verbunden sein, d.h., daß er in erwärmtem Zustand um die Piezokeramikscheibe gelegt wird und beim Abkühlen die Piezokeramikscheibe fest umschließt. Der Metallring 16 be¬ steht beispielsweise aus Aluminium.
Wenn an die Elektroden 12 und 14 eine Wechselspannung ange¬ legt wird, wird die Piezokeramikscheibe 10 zu Radialschwin¬ gungen angeregt. Infolge der engen Kopplung mit dem Metall¬ ring 16 werden diese RadialSchwingungen auf den Metallring übertragen, so daß sich das ganze Gebilde wie ein einziger Radialschwinger verhält. Durch eine auf die eine Stirnfläche der Piezokeramikscheibe 10 und des Metallrings 16 aufgebrach¬ te Anpaßschicht 18, deren Dicke einer Viertelwellenlänge der erzeugten Schall- oder Ultraschallwelle entspricht, wird er¬ reicht, daß die erzeugte Schall- oder Ultraschallwelle im wesentlichen nur auf dieser Seite abgestrahlt wird.
Fig. 2 zeigt die Amplitudenverteilung der Schwingungen über die ganze Fläche des aus der Piezokeramikscheibe 10 und dem Metallring 16 bestehenden Radialschwingers. Die Amplituden¬ verteilung entspricht weitgehend der erwünschten Gauß'sehen Verteilung. Die Schwingungen sind über die ganze Fläche gleichphasig, so daß ein Strahlungsdiagramm ohne störende Nebenkeulen erhalten wird, dessen Öffnungswinkel durch die Gesamtfläche des Radialschwingers bestimmt ist.
Fig. 3 zeigt die Frequenzkennlinie der Piezokeramikscheibe 10, wobei die Radialresonanzfrequenz mit f bezeichnet ist. Fig. 4 zeigt im gleichen Maßstab die Frequenzkennlinie des aus der Piezokeramikscheibe 10 und dem Metallring 16 gebildeten Ra¬ dialschwingers. Es ist zu erkennen, daß dieser Radialschwin¬ ger im wesentlichen das gleiche Frequenzverhalten wie die Piezokeramikscheibe 10 hat, wobei jedoch die Radialresonanz¬ frequenz wesentlich niedriger ist; sie liegt zwischen der Radialresonanzfrequenz der Piezokeramikscheibe 10 und der Radialresonanzfrequenz des Metallrings 16. Durch entsprechen¬ de Bemessung des Metallrings 16 ist es daher möglich, unter Verwendung der gleichen Piezokeramikscheibe 10 eine gewünsch¬ te niedrigere Radialresonanzfrequenz einzustellen. Die Diagramme von Fig. 2, 3 und 4 lassen erkennen, daß sich der aus der Piezokeramikscheibe 10 und dem Metallring 16 be¬ stehende Radialschwinger hinsichtlich Amplitudenverteilung, Phasenverteilung und Frequenz wie eine Piezokeramikscheibe verhält, die einen größeren Durchmesser als die Piezokeramik¬ scheibe 10 hat.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Schall- oder Ultraschallwandler mit einer runden Piezo¬ keramikscheibe, die zu Radialschwingungen anregbar ist, und mit einem die Piezokeramikscheibe umgebenden Metallring, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring die Mantelfläche der Piezokeramikscheibe form- und kraftschlüssig umschließt, so daß er mit dieser einen Radialschwinger bildet.
2. Schall- oder Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring mit der Piezokeramik¬ scheibe durch Aufschrumpfen verbunden ist.
3. Schall- oder Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring aus Aluminium besteht.
4. Schall- oder Ultraschallwandler nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die eine Stirnfläche des von der Piezokeramikscheibe und dem Metall¬ ring gebildeten Radialschwingers eine Anpaßschicht aufge¬ bracht ist.
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