DE2541492C3 - Ultrasonic transducer - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Wandler, v> I; tr im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.The invention relates to an ultrasonic transducer, v> I; tr is specified in the preamble of claim 1.
Für ein Ultraschall-Echolot-System sind Ultraschall-Wandler wünschenswert, die einen Schallstrahl mit besonders geringem Öffnungswinkel erzeugen. Datlurch können störende Reflexionen des Ultraschalls Vermieden werden, so daß ein besonders hohes Auflösungsvermögen erreicht werden kann. Unter Auflösungsvermögen wird verstanden, daß zwei nahe beieinanderliegende Objekte unterschieden werden können.For an ultrasonic echo sounder system are ultrasonic transducers desirable that generate a sound beam with a particularly small opening angle. Date disturbing reflections of the ultrasound can be avoided, so that a particularly high Resolving power can be achieved. Resolving power is understood to mean that two are close adjacent objects can be distinguished.
Bei einem Ultraschallwandler sind die Abmessungen Im wesentlichen durch die vorgesehene Betriebsfre-Ijuenz und das Material des Wandlers vorgegeben. Mit den Abmessungen des Ultraschallwandlers ist auch die Größe der Schallabstrahlfläche des Wandlers bestimmt. Wobei durch die Größe der Schallabstrahlfläche im Wesentlichen der öffnungswinkel des erzeugten Schall-Vrahls bestimmt ist. Bei einer Betriebsfrequen/. von ca. kHz und Blei-Zirkonat-Titanat als Material für den Wandler ergibt sich ein öffnungswinkel von etwa 10"5 bis 12" (I" - .t/180).In the case of an ultrasonic transducer, the dimensions are essentially predetermined by the intended operating frequency and the material of the transducer. The size of the sound-emitting surface of the transducer is also determined by the dimensions of the ultrasonic transducer. The opening angle of the generated sound beam is essentially determined by the size of the sound-emitting surface. At an operating frequency /. kHz and lead zirconate titanate as the material for the transducer results in an opening angle of about 10 " 5 to 12" (I "- .t / 180).
Aus dem Stande der Technik, so z. B. aus der CiM-Schrift 68 01 203. ist ein I Iltraschallwancllcr bekannt, bei dem an dem eigentlichen aktiven Schwingerelenicnl eine Platte mit geringer Dämpfung und einem Schallwellenwidersiand q angebracht ist, der dem geometrischen Mittel aus den Schallwellenwiderständen des Ausbreitungsmediums und des Schwingerelements möglichst nahekommt. Die Dicke der Platte wird auf den Wert d = 1A · Ultraschallwellenlänge Λ bemessen. Es wird damit eine Anpassung der Wellenwiderstände angestrebt. Als Materialien für diese Platte sind Kork und Silikonkautschuk erwähnt. Es ist dort vorgeschlagen, zwischen dieser Platte mit der Dickenabmessung λ/4 und dem aktiven Schwingerelement noch einen zusätzlichen Block mit einer Dickenabmessung A/2 dazwischenzufügen, wobei bereits dieser Block einen gegenüber dem Schwingerelement größeren Durchmesser hat. Andere Ausführungsformen eines Lltraschallschwingers mit einer Schicht mit der Dickenabrnessung A/4 und dem Schallweüenwiderstand ο entsprechend dem geometrischen Mittelwert sind auch aus der britischen Patentschrift 3 52 040, der französischen Patentschrift 14 28 916 und aus den DDR-Patentschriften 67 836 und 55 124 bekannt.From the prior art, so z. B. from CiM publication 68 01 203. an I Iltraschallwancllcr is known in which a plate with low attenuation and a sound wave resistance q is attached to the actual active Schwingerelenicnl, which comes as close as possible to the geometric mean of the sound wave resistances of the propagation medium and the transducer element . The thickness of the plate is measured to be d = 1 A · ultrasonic wavelength Λ. The aim is to adjust the wave resistances. Cork and silicone rubber are mentioned as materials for this plate. It is proposed there to add an additional block with a thickness dimension of A / 2 between this plate with the thickness dimension λ / 4 and the active oscillator element, this block already having a larger diameter than the oscillator element. Other embodiments of an ultrasonic transducer with a layer with a thickness measurement of A / 4 and the acoustic resistance ο corresponding to the geometric mean value are also known from British patent 3 52 040, French patent 14 28 916 and from GDR patents 67 836 and 55 124.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen solchen uitraschaiiwandier anzugeben, bei dem einerseits die bekannte Gesetzmäßigkeit der Anpassungsbedingung möglichst gut erfüllt ist und andererseits der Aufbau derart ist, daß eine Schallstrahlung mit besonders geringem öffnungswinkel erzeugt wird.It is an object of the present invention to specify such a uitraschaiiwandier in which on the one hand the known regularity of the adaptation condition is fulfilled as well as possible and on the other hand the The structure is such that a sound radiation is generated with a particularly small opening angle.
Diese Aufgabe wird für einen wie irr. Oberbegriff des Patentanspruches ι angegebenen Ultraschallwandler mit Hilfe der Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 gelöst.This task is going to be insane for you. Preamble of claim ι specified ultrasonic transducer solved with the help of the features of the characterizing part of claim 1.
Bei einem wie erfindungsgemäßen Ultraschallwandler ist infoige des Beschwerungsringes, der an dem über den Rand des Piezokörpers wesentlich überstehenden Bereich der Schaumstoffplatte angebracht ist, ein solches Schwingverhalten erreicht, bei dem gleichphasige Schwingung der Schaumstoffplatte vorliegt.In an ultrasonic transducer according to the invention is infoige of the weighting ring that is attached to the above the edge of the piezo body is attached substantially protruding area of the foam board, a such vibration behavior is achieved in which there is in-phase vibration of the foam board.
Im vorliegenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels, wie es in den Figuren dargestellt ist, erläutert.In the present case, the invention is based on an exemplary embodiment as shown in the figures is explained.
Dabei zeigt die F ι g. 1 emi Drau.-icht, die F i g. 2 ein Schnittbild entlang der Scnnittlinie H-Il, wie sie in der F i g. 1 eingezeichnet ist.The FIG. 1 emi Drau.-icht, the F i g. 2 a Sectional view along the cutting line H-II, as shown in FIG. 1 is shown.
Der Ultraschallschwinger besitzt einen kreisförmigen Piezokörper 1, der an seinen beiden Stirnflächen jeweils eine Metallelektrode 10, 11 besitzt. Diese können beispielsweise durch Einbrennversilberung hergestellt sein. An diesen Elektroden sind Anschlußlitzen eingelötet, über diese Anschlußlitzen werden die Elektroder, mit einer Wechselspannung \ ersorgt. Dadurch wird der Keramikkörper vorzugsweise zu Radialschwingungen veranlaßt. Auf einer Stirnfläche des Keramikkörpers ist eine Schaumstoffschicht 2 aufgeklebt, die als A/4-Schicht uiisgebildet ist. Das bedeutet, daß diese Schicht eine Dicke von A/4 hat, wobei A die Wellenlänge des mittels des Keramikkörpers erzeugten Ultraschalls in dem Schaumstoff ist.The ultrasonic transducer has a circular shape Piezo body 1, which has a metal electrode 10, 11 on each of its two end faces. these can be made, for example, by burn-in silver plating. Pigtails are soldered to these electrodes, The electrodes are supplied with an alternating voltage via these connecting strands. This will make the Ceramic body preferably caused radial vibrations. Is on an end face of the ceramic body a foam layer 2 is glued on, which is formed as a 1/4 layer. That means that this layer is a Thickness of A / 4, where A is the wavelength of the ultrasound generated by the ceramic body in the Foam is.
Die A/4-Schicht besteht aus einem Material, dessen akustischer Schallwellenwiderstand ein Maß besitzt, welches zwischen der Größe des Schallwellenwider-Standes des Piezokörpers und der Größe des Schallwellenwiderstandes des Mediums, in dem sich der Schall ausbreiten soll, liegt. Dieses Medium ist im allgemeinen Luft oder Wasser.The A / 4 layer consists of a material, the acoustic wave resistance of which has a level which is between the size of the acoustic wave resistance of the piezo body and the size of the acoustic wave resistance of the medium in which the sound should propagate. This medium is in general Air or water.
Im Idealfall, d. h. wenn der .Schallwandler nur Schall einer einzigen Frequenz erzeugt, und wenn die Scliullabstrahlflächc sehr groß gegenüber der Wellenlänge ist, hat die A/4-Schicht einen Wellenwiderstand 2- Dabei bezeichnet ρ die DichteIn the ideal case, ie if the .Schallwandler only generates sound of a single frequency, and if the Scliullabstrahlflächec is very large compared to the wavelength, the A / 4 layer has a wave impedance 2 - where ρ denotes the density
eines Mediums, c die Schallgeschwindigkeit in einem Medium, der Index s bezeichnet die λ/4-Schicht, der Index L das Medium, in dem sich der Schall ausbreiten soll, d. h. z. B. Luft oder Wasser, der Index K bezeichnet den Keramikkörper. Allgemein bezeichnet ijc den akustischen Schallwellenwiderstand eines Stoffes.of a medium, c is the speed of sound in a medium, the index s denotes the λ / 4-layer, the index L the medium in which the sound should propagate, e.g. air or water, the index K denotes the ceramic body. In general, ijc denotes the acoustic wave resistance of a material.
Ist Luft das Ausbreitungsmedium für den erzeugten Schall, so sollte die λ/4-Schicht bei dem dargestellten Ultraschallwandler einen akustischen Schallwellenwiderstand bc;itzen, der zwischen den Werten 5 ■ lu!g/ cm2 · s und 5 · 104 g/cm2 ■ s liegt.If air is the medium for the generated sound to propagate, the λ / 4 layer in the ultrasonic transducer shown should have an acoustic wave resistance between the values 5 lu ! g / cm 2 · s, and 5 x 10 4 g / cm 2 ■ s.
Die y/4-Schicht besitzt bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler wesentlich größere Abmessungen als der Keramikkörper. Der überstehende Bereich der λ/4-Schicht ist auf der Seite des Keramikkörpers mit einem Beschwerungsring 3 verbunden. Dieser Beschwerungsring sol! im Vergleicn zur λ/4-Schicht ein großes Gewicht und eine große Fläche haben. Er kann beispielsweise aus Aluminium bestehen. Dieser Beichwerungsring umschließt konzentrisch den Keramikkörper ohne diesen zu berühren.In the ultrasonic transducer according to the invention, the y / 4 layer has significantly larger dimensions than the ceramic body. The protruding area of the λ / 4 layer is on the side of the ceramic body a weight ring 3 connected. This weight ring sol! in comparison to the λ / 4-layer a large one Weight and have a large area. It can for example consist of aluminum. This acclamation ring concentrically encloses the ceramic body without touching it.
gSgOiTiauCgSgOiTiauC
L_/cf CriiL_ / cf Crii
der folgenden Weise: Der Piezokeramikkorper wird elektrisch zu Ultraschallschwingungen angeregt. Der Schall wird nahezu nur auf der Seite der λ/4-Schicht tbgestrahlt, da auf dieser Seite des Keramikkörpers aufgrund der λ/4-Schicht nahezu keine Schallreflexionen beim Durchgang des Ultraschalls vom Keramikkörper in die λ/4-Schicht und weiter in das Schallausbreitungsmedium entstehen. Durch den Beschverungsring wird erreich:, daß die Grenzflächen zwischen diesem Ring und der λ/4-Schicht eine Knotenfläche darstellt. <j. h. diese Grenzfläche ist beim Ultraschalibetrieb des Ukraschallwandlers nahezu in Ruhe. Dadurch wird erreicht, daß die freie Stirnfläche der y/4-Schicht in ihrer vollen Größe nahezu gleichphasig schwingt, d. h. alle Punkte der freien Fläche bewegen sich relativ zum Piezokeramikkörper gleichzeitig zur einen oder zur entgegengesetzten Richtung. Damit wird erreicnt, daß «äer abgestrahlte Schallstrahl einen sehr kleinen Öffnungswinkel aufweist, da angenähert eine räumlich durch die Größe der freien Oberfläche der y/4-Schicht begrenzte ebene Welle erzeugt wird.the following way: The piezoceramic body is electrically excited to ultrasonic vibrations. The sound is almost only on the side of the λ / 4 layer blasted, because on this side of the ceramic body there are almost no sound reflections due to the λ / 4 layer when the ultrasound passes from the ceramic body into the λ / 4 layer and further into the sound propagation medium develop. By the Beschverungsring is achieved: that the interfaces between this Ring and the λ / 4-layer represents a nodal surface. <j. H. this interface is during the ultrasonic operation of the Ukrasound transducer almost at rest. This ensures that the free end face of the y / 4 layer in its full size oscillates almost in phase, d. H. all points of the free area move relative to the Piezoceramic body at the same time to one or the opposite direction. This achieves that The emitted sound beam has a very small opening angle, since it is approximately a spatial one plane wave limited by the size of the free surface of the y / 4-layer is generated.
Aufgrund der beschriebenen Wirkungsweise des Ultraschallwandlers ist es ersichtlich, daß der Beschwerungsring auch Teil eines Gehäuses sein kann, welches der Ultraschallwandler eingebaut ist.Due to the described mode of operation of the ultrasonic transducer, it can be seen that the weighting ring can also be part of a housing in which the ultrasonic transducer is installed.
In jedem Fall eignet sich der Beschwerungsring dazu, den Wandler in vorteilhafter Weise an einer Halterung tu befestigen.In any case, the weighting ring is suitable for holding the transducer in an advantageous manner on a holder do fasten.
Durch den Beschwerungsring wird also erreicht, daß eine große Fläche, deren Abmessungen wesentlich
größer sind, als die Stirnfläche des Keramikkörpers, zu gleichphasigen Schwingungen angeregt wird. Ohne den
Beschwerungsring führt der Bereich der λ/4-Schicht, der
Ober die Stirnfläche des Keramikkörpers hinausrsgt, unkontrollierte Schwingungen aus, die sich ge
auslöschen, so daß eine Schallabstrahlung praktisch nur in dem Bereich der λ/4-Schichi erfolgt, der mit dem
Keramikkörper verbunden ist. Da dieser Bereich eine kleine Flächenausdehriung besitzt, ähnc-U der erzeugte
Schallstrahl mehr einer räumlich begrenzten Kugelweile, d. h., der öffnungswinkel ist verhältnismäßig groß.The weighting ring thus ensures that a large area, the dimensions of which are significantly larger than the end face of the ceramic body, is excited to in-phase vibrations. Without the weighting ring, the area of the λ / 4-layer, which protrudes above the face of the ceramic body, carries out uncontrolled vibrations, which result in ge
extinguish, so that a sound radiation occurs practically only in the area of the λ / 4-Schichi, which is connected to the ceramic body. Since this area has a small area, the generated sound beam is more like a spatially limited spherical wave, ie the opening angle is relatively large.
Bei einem Ausführung'.bcispiel des Uliraschullwiuiulers, welches für eine Betriebsfrequenz von _a. 40 khz aufgelegt war, hatten die Elemente des Schallwandlers die folgenden Abmessungen: Der Keramikkörper aus Blei-Zirkonat-Titanat haue eine Dicke von ca. 4,i mm und einen Durchmesser von 52,5mm. Der Beschv.erungsring bestand aus Aluminium und haue eine Dicke von 8 mm, einen Außendurchmesser von 100 mm _nd einen Innendurchmesser von 56 mm. Die λ/4-Schich: hau? einen Durchmesser \ υπ ebenfalls 100 mm und einc-Dicke von 16 mm.In an example of the Uliraschullwiuiulers, which for an operating frequency of _a. 40 khz was applied, the elements of the sound transducer had the following dimensions: The ceramic body made of lead-zirconate-titanate has a thickness of approx. 4.1 mm and a diameter of 52.5mm. The loading ring consisted of aluminum and cut a thickness of 8 mm, an outer diameter of 100 mm _nd an inner diameter of 56 mm. The λ / 4 layer: huh? a diameter \ υπ also 100 mm and a thickness of 16 mm.
Die λ/4-Schicht kann in der folgenden Weise hergestel!'. werden: Hin Polystyroliack oder ein cpoxiclack wird mit Hohlkugeln aus SiIi7 ,,ndicxid, die einer L^UfCl irficSScf ZwiSCilcn ucfi V¥ cTicH Ju 'ίΓΠ üfiu \ ij μΐΓι und eine Wandstärke von 2μ,τι aufweisen, vermisch:. Derartige Hohlkugeln sind unter dem Namen Ecccspheres S] der Fa. Emmerson & Cumming bekannt. Ein aus virr Gewichtsteilen Benzol und einem Gewichtsiei! Polystyrol bzw. Epoxid bestehender Lack wird mit zwei Gewichtsteilen dieser Hohlkugeln verrührt. Dabei wird darauf geachtet, daß möglichst keine Luftblasen entstehen. Anschließend wird die erstandene breiige Masse auf dem Boden eines Gefäßes zum Trocknen vergossen.The λ / 4 layer can be produced in the following manner. be: Hin Polystyroliack or a cpoxiclack is mixed with hollow spheres made of SiIi 7 ,, ndicxid, which have a L ^ UfCl irficSScf ZwiSCilcn ucfi V ¥ cTicH Ju 'ίΓΠ üfiu \ ij μΐΓι and a wall thickness of 2μ, τι :. Such hollow spheres are known under the name Eccspheres S] from Emmerson & Cumming. One made from one part by weight of benzene and one part by weight! Polystyrene or epoxy paint is mixed with two parts by weight of these hollow spheres. Care is taken to ensure that no air bubbles are created. The pasty mass obtained is then poured to dry on the bottom of a vessel.
Nach einer "'Vockenze1' von 2 Tagen erhält man eine Schaumstoffplatte mit einer Dichte von '.a. 0,16g ■ cm*3. Diese Platte gibt beim Anschlagen mit einem harten Gegenstand einen hellen, fast metallischen Klang von sich. Dieser Schaumstoff besitzt einen akustischen Schallwellenwiderstand von ca. 2,1 · 10* g/ s ■ cm2. Die getrocknete Schaumstoffplatte wire1 auf das gewünschte Maß zugeschnitten und an ihren Oberflächen plangeschliffen.After a "'Vockenze 1 " of 2 days you get a foam board with a density of 0.16g · cm * 3. This board gives off a bright, almost metallic sound when hit with a hard object. This foam has an acoustic wave resistance of approx. 2.1 · 10 * g / s · cm 2. The dried foam sheet wire 1 is cut to the desired size and its surfaces are ground flat.
Die Fig. 3 zeigt ein Beispiel für ein Richtdiagramm eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers. Aufgetragen ist der Schalldruck in Polarkoordinaten in Abhängigkeit vom Abstrahiwinkel, d. h. dem Winkel, den die jeweiligen Schallrichtung mit einer Senkrechten auf der Schallabstrahlfläche bildet.3 shows an example of a directional diagram an ultrasonic transducer according to the invention. Applied is the sound pressure in polar coordinates as a function of the angle of emission, i.e. H. the angle which the respective direction of sound forms with a perpendicular on the sound-emitting surface.
Die Position 1000 bezeichnet den Ultraschallwandler. Man erkennt, daß praktisch nur zu einer Seite des Wandlers Schall abgestrahlt wird, dementsprechend ist die Schallkeule 1001 wesentlich größer als die Schallkeule 1002, dabei ist die Länge einer Verbindung 1003 zwischen einem Punkt auf dem Schallkeulenrand und dem Wandler 1000 ein Maß für den Schalldruck in dieser Ausbreitungsrichtung. Der öffnungswinkel der Schallkeule beträj: ca. 5°.Position 1000 denotes the ultrasonic transducer. It can be seen that practically only one side of the Converter sound is emitted, accordingly the sound cone 1001 is much larger than the Sound cone 1002, where is the length of a connection 1003 between a point on the edge of the sound cone and the transducer 1000 a measure of the sound pressure in this direction of propagation. The opening angle of the Sound cone is approx. 5 °.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (3)
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