DE69504986T2

DE69504986T2 - Akustischer breitbandwandler für mehrere frequenzen

Info

Publication number: DE69504986T2
Application number: DE69504986T
Authority: DE
Inventors: Bertrand F-92402 Courbevoie Cedex Le Verrier; Alphonse F-92402 Courbevoie Cedex Ramos; Gerard F-92402 Courbevoie Cedex Roux; Bruno F-92402 Courbevoie Cedex Tardy
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1994-07-08
Filing date: 1995-06-16
Publication date: 1999-02-18
Anticipated expiration: 2015-06-17
Also published as: DK0769988T3; DE69504986D1; EP0769988A1; US5706252A; CA2194605C; EP0769988B1; JPH10502510A; JP3321172B2; FR2722358B1; WO1996001702A1; FR2722358A1; CA2194605A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schallwandler, die bei mehreren Sende- und/oder Empfangsfrequenzen mit breiten Durchlaßbändern um diese Frequenzen arbeiten können. Er ermöglicht bei der Unterwasser-Bilderzeugung bei einer niedrigen Frequenz eine große Reichweite, jedoch mit geringer Auflösung, und bei einer hohen Frequenz eine hohe Auflösung, jedoch mit geringer Reichweite. Somit wird zu einer ersten Zeit der niederfrequente Betrieb gewählt, um die Gegenstände zu lokalisieren, die identifiziert werden sollen. Das Trägerschiff des mit diesem Wandlertyp ausgerüsteten Sonars nähert sich anschließend dem so erfaßten Gegenstand an, wobei, wenn es ausreichend nahe ist, die hohe Frequenz verwendet wird, die ermöglicht, ein präzises Bild dieses Gegenstandes zu erhalten.
Aus der französischen Patentanmeldung Nr. 8707814, eingereicht am 4. Juni 1987 von der Anmelderin und erteilt am 9. Dezember 1988 unter der Nr. 2616240, sowie aus der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 285 482, eingereicht am 11. März 1988 von der Anmelderin, ist bekannt, einen Mehrfrequenzschallwandler, der im wesentlichen dazu vorgesehen ist, in medizinischen Anwendungen verwendet zu werden, dadurch herzustellen, daß zwischen das aktive piezoelektrische Plättchen und den Reflektor einer gewöhnlichen Sonde ein Halbwellenplättchen bei der natürlichen Resonanzfrequenz dieses Plättchens eingefügt wird. Dann kann die Sonde bei zwei verschiedenen Frequenzen verwendet werden, wovon eine im wesentlichen gleich der Hälfte der anderen ist. Dieses System, obwohl es für die medizinische Bilderzeugung gut geeignet ist, insbesondere für die Verwendung einer Bilderzeugungsfrequenz und einer weiteren Frequenz zum Anzeigen der Blutströme, weist indessen bei der Untersee- Bilderzeugung eine bestimmte Anzahl von Nachteilen auf. Insbesondere ist das Breitband um eine der beiden Resonanzfrequenzen verhältnismäßig schmal. Dies ist für die zur Anzeige der Blutströme verwendete Frequenz nicht sehr wichtig. Bei der Untersee-Bilderzeugung erfordern jedoch die verwendeten Verarbeitungen für die beiden Frequenzbereiche eine große Bandbreite.
Um diese Nachteile zu vermeiden, schlägt die Erfindung einen Breitband-Mehrfrequenzschallwandler des Typs vor, der ein piezoelektrisches Senderplättchen mit Impedanz Z, das bei λ/2 mit einer Grundfrequenz F0 in Resonanz tritt, ein hinteres Plättchen mit Impedanz Z3 sowie einen Träger enthält, der einen Reflektor des Typs bildet, dessen Impedanz im wesentlichen null ist, hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, daß das hintere Plättchen bei λ/4 mit der Frequenz F0 in Resonanz tritt, um zu ermöglichen, daß zwei Resonanzfrequenzen FA und FB des zusammengefügten Wandlers erhalten werden, und daß dieser Wandler außerdem zwei vordere Anpassungsplättchen umfaßt, deren Impedanzen Z1 und Z2 durch die Formeln
Z1 Z03/5 · Z2/5
Z2 Z02/5 · Z3/5
gegeben sind und deren Dicken ihnen ermöglichen, daß sie für jede der Frequenzen FA und FB im wesentlichen bei λ/4 in Resonanz treten und für die Frequenzen, die nicht ihrer Resonanz entsprechen, im wesentlichen durchlässig sind, wobei diese Dicken mit Hilfe eines Modells des Mason-Typs optimiert sind.
Gemäß einem weiteren Merkmal ist das hintere Plättchen aus demselben Werkstoff wie das aktive Plättchen gebildet.
Gemäß einem weiteren Merkmal ist der Werkstoff, der die aktive Schicht und das hintere Plättchen bildet, eine Keramik des PCT-Typs, für die Z im wesentlichen gleich 21 · 10&sup6; Ohm (akustisch) beträgt, besitzen die Anpassungsplättchen eine Impedanz Z1 = 3,9 · 10&sup6; Ohm (akustisch) bzw. Z2 = 6 · 10&sup6; Ohm (akustisch) und sind die Dicken dieser Plättchen gleich e1 = λ/2,16 bzw. e2 = λ/3,37 für die Frequenz FA.
Gemäß einem weiteren Merkmal besitzt das aktive Plättchen eine Dicke, derart, daß es bei λ/2 mit einer Frequenz von 250 kHz in Resonanz tritt und daß die Sendefrequenzen, an die der Wandler angepaßt ist, im wesentlichen gleich 350 kHz und 150 kHz sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich durch die folgende Beschreibung, die anhand eines nicht beschränkenden Beispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren gegeben wird, worin:
- Fig. 1 eine Schnittansicht des Aufbaus einer Antenne gemäß der Erfindung zeigt;
- Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der verschiedenen Schichten zeigt, die diese Antenne bilden und relativ zueinander auseinandergezogen sind; und
- Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines solchen Wandlers nach dem Schneiden zeigt, um Säulen zu erhalten, die im Fall einer Anwendung auf ein Sonar benötigt werden.
In Fig. 1 ist ein Schnitt in Dickenrichtung eines Wandlers gemäß der Erfindung gezeigt.
Das aktive Element des Wandlers ist aus einem piezoelektrischen Keramikplättchen 201 gebildet, das bei λ/2 mit einer "natürlichen" Frequenz F0 in Resonanz tritt, wenn es isoliert ist. Dieses Plättchen ist auf einem Träger 203 über ein hinteres Plättchen 202 befestigt, das seinerseits bei λ/4 mit F0 in Resonanz tritt. Der Träger 203 bildet seinerseits einen Reflektor des Typs, dessen Impedanz im wesentlichen null ist und der insbesondere unter der angelsächsischen Bezeichnung schwa ches "Backing" oder unter der Bezeichnung weicher Reflektor bekannt ist. Um eine solche Impedanz von im wesentlichen null mit einem Werkstoff zu erhalten, der ausreichend widerstandsfähig ist, um den Wandler zu tragen, wird im Stand der Technik ein wabenartiger Werkstoff mit geringer Dichte verwendet.
Die Hinzufügung des hinteren Resonanzplättchens 202 zum piezoelektrischen Keramikplättchen 201 ermöglicht, für die Gesamtheit zwei Resonanzfrequenzen FA und FB zu erhalten, derart, daß FA zwischen 1,5FB und 3FB liegt. Außerdem:
(FA + FB)/2 = F0.
Um das Verhalten des Wandlers, insbesondere seine Anpassung an das Medium, in dem er senden soll, das im allgemeinen Wasser ist, sowie die Erlangung von ausreichenden Bandbreiten um die beiden oben definierten Resonanzfrequenzen FA und FB zu verbessern, werden der vorderen Sendefläche des Plättchens 201 zwei vordere Anpassungsplättchen 204 und 205 überlagert, wovon jedes vom Typ Viertelwellenlängenplättchen in bezug auf die beiden Frequenzen FA und FB ist.
Wenn die Impedanz der piezoelektrischen Keramik Z genannt wird, die Impedanz des äußeren Mediums, in dem die Schallwellen ausgesendet werden, Z0 genannt wird, und die Impedanz des hinteren Plättchens 202 Z3 genannt wird, kann gezeigt werden, daß eine geeignete Wahl der Impedanz des hinteren Plättchens dann, wenn Z und 20 im Prinzip durch die verwendeten Werkstoffe bestimmt sind, die Wahl des Frequenzverhältnisses FA/FB ermöglicht. Um somit einen Bereich FA/FB von 1,5 bis 3 abzudecken, muß 23 zwischen Z/6,2 und Z · 4,6 gewählt werden.
Im Stand der Technik war, abgesehen von bestimmten numerischen Sonderfällen, beispielsweise wenn FA/FB = 3 ist, nur bekannt, eine der beiden Frequenzen anzupassen, indem ein einzelnes vorderes Anpassungsplättchen verwendet wird.
Um die beiden Frequenzen anzupassen, schlägt die Erfindung daher vor, zwei vordere Anpassungsplättchen 204 und 205 zu verwenden, indem jedes Plättchen für eine besondere Frequenz ausgebildet wird, derart, daß eines der Plättchen die Vorrichtung an eine der Frequenzen anpaßt und das andere Plättchen die Vorrichtung an die andere Frequenz anpaßt. Wegen der Überlagerung dieser Plättchen beeinflußt nämlich das Verhalten des einen jeweils das Verhalten des anderen im wesentlichen in dem Maß, in dem die Plättchen für die Frequenzen, an die sie nicht angepaßt sind, nicht vollständig durchlässig sind.
Es soll daher gleichzeitig auf mehrere Kriterien geantwortet werden:
- daß jedes getrennt betrachtete Plättchen die Impedanzanpassung an die Frequenz, die ihm zugeordnet ist, verwirklicht;
- daß die Übertragung der von der piezoelektrischen Keramik 201 ausgesendete Schallenergie zum vorderen Medium optimiert wird.
Die Forschungen der Erfinder haben dazu geführt, die Impedanzen der beiden Plättchen gemäß den beiden folgenden Formeln zu bestimmen:
Z1 Z03/5 · Z2/5
Z2 Z02/5 · Z3/5
Außerdem schlägt die Erfindung vor, daß die Dicken der beiden Plättchen in der Nähe einer Viertelwellenlänge der Frequenzen FA und FB liegen und daß ihre genauen Werte anhand der Verwendung eines wohlbekannten Modells erhalten werden, das auf den Ersatzschaltungen basiert, die von W. P. Mason in Physical Acoustics Principles and Methods 1964 - Academic Press, veröffentlicht worden sind.
In einem Ausführungsbeispiel wird ein Plättchen 202 aus piezoelektrischer Keramik des PCT-Typs verwendet, die eine Impedanz von im wesentlichen 21 · 10&sup6; Ohm (akustisch) besitzt. Die Dicke des Plättchens ist so gewählt, daß es bei λ/2 mit einer Frequenz F0 = 250 kHz in Resonanz tritt.
Das hintere Plättchen ist so beschaffen, daß es bei λ/4 mit derselben Frequenz in Resonanz tritt, wobei die Erfindung zur Verbesserung vorschlägt, dieses Plättchen mit derselben Keramik des PCT-Typs wie jene für das aktive piezoelektrische Plättchen 201 herzustellen. Dies ermöglicht die Vereinfachung der Herstellung des Wandlers in hohem Maß.
Unter diesen Bedingungen werden für die zwei Frequenzen FA und FB Werte erhalten, die im wesentlichen gleich 350 kHz bzw. 150 kHz sind. Es wird festgestellt, daß F0 im wesentlichen gleich (FA + FB)/2 ist und daß außerdem FA/FB im wesentlichen gleich 2,33 ist.
Die Plättchen 204 und 205 werden wie im Stand der Technik aus Werkstoffen hergestellt, deren Zusammensetzung ermöglicht, die gewünschten Schaltimpedanzen zu erhalten. Diese Impedanzen werden gemäß den weiter oben angegebenen Formeln so gewählt, daß die Werte Z1 = 3,9. 10&sup6; Ohm (akustisch) und Z2 = 6 · 10&sup6; Ohm (akustisch) erhalten werden.
Die Verwendung des Modells des Mason-Typs für die Definition der Dicken dieser zwei Plättchen liefert Ergebnisse, die, ausgedrückt durch die Wellenlänge, lauten:
für FA = 350 kHz: e1 = λ/2,16 und e2 = λ/3,77
für FB = 150 kHz: e1 = λ/5,04 und e2 = λ/8,81.
Es wird daher festgestellt, daß effektiv für jede der gewählten Frequenzen das entsprechende Anpassungsplättchen eine Dicke besitzt, die im wesentlichen gleich λ/4 ist und zur gewünschten Anpassung führt, und daß bei der anderen Frequenz die Dicke des Plättchens in der Nähe von λ/2 für die eine und unter λ/8 für die andere liegt, was sie für Schallwellen mit Frequenzen, die von ihnen nicht gestört werden sollen, im wesentlichen durchlässig macht.
Die Veränderungen in bezug auf λ/4 und auf λ/2 stammen direkt von der Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Schichten, deren Wirkung durch das Modell des Mason-Typs simuliert wird.
Die Messungen, die an einem gemäß diesen Merkmalen verwirklichten Wandler ausgeführt wurden, haben gezeigt, daß die erhaltenen Bandbreiten für FA über 20% lagen und für FB über 50% lagen, was vollkommen zufriedenstellend ist.
Um einen Wandler ausgehend von diesem Aufbau herzustellen, wird, wie in Fig. 2 gezeigt ist, eine Folge von Plättchen aus Werkstoffen, die mit den in dieser Weise bestimmten Dicken gewählt sind, übereinandergestapelt, wobei außerdem zwischen die Keramik 201 und die Schicht 204 einerseits und zwischen diese Keramik und die Schicht 202 andererseits Elektroden 211 und 221 eingefügt werden, die aus einer dünnen Schicht eines leitenden Metalls gebildet sind, das die akustische Funktion der Gesamtheit nicht stört. Diese Elektroden 211 und 221 stehen von der Sandwich-Anordnung in der Weise vor, daß sie zugänglich sind, um sie mit Anschlüssen zu verbinden, die das Signal liefern, das dazu vorgesehen ist, die Keramik 201 anzuregen. Diese verschiedenen Plättchen werden aneinandergeklebt, wobei die so erhaltene Sandwich-Anordnung anschließend in Säulen geschnitten wird, wie in Fig. 3 gezeigt ist, um den Wandleraufbau zu erhalten, der für eine korrekte Emission von Schallwellen von der vorderen Fläche entsprechend den wohlbekannten Sonar-Techniken benötigt wird.

Claims

1. Breitband-Mehrfrequenzschallwandler des Typs, der ein piezoelektrisches Senderplättchen (201) mit Impedanz Z, das bei λ/2 mit einer Grundfrequenz F0 in Resonanz tritt, ein hinteres Plättchen (202) mit Impedanz Z3 sowie einen Träger (203) enthält, der einen Reflektor des Typs bildet, dessen Impedanz im wesentlichen null ist, dadurch gekennzeichnet, daß das hintere Plättchen (202) bei λ/4 mit der Frequenz F0 in Resonanz tritt, um zu ermöglichen, daß zwei Resonanzfrequenzen FA und FB des zusammengefügten Wandlers erhalten werden, und daß dieser Wandler außerdem zwei vordere Anpassungsplättchen (204, 205) umfaßt, deren Impedanzen Z1 und Z2 durch die Formeln

Z1 Z03/5 · Z2/5

Z2 Z02/5 · Z3/5

gegeben sind und deren Dicken ihnen ermöglichen, daß sie für jede der Frequenzen FA und FB im wesentlichen bei λ/4 in Resonanz treten und für die Frequenzen, die nicht ihrer Resonanz entsprechen, im wesentlichen durchlässig sind, wobei diese Dicken mit Hilfe eines Modells des Mason-Typs optimiert sind.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hintere Plättchen (202) aus demselben Werkstoff wie das aktive Plättchen (201) gebildet ist.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff, der die aktive Schicht (201) und das hintere Plättchen (202) bildet, eine Keramik des PZT-Typs ist, für die Z im wesentlichen gleich 21 · 10&sup6; Ohm (akustisch) beträgt, daß die Anpassungsplättchen (204, 205) eine Impedanz Z1 = 3, 9 · 10&sup6; Ohm (akustisch) bzw. Z2 = 6 · 10&sup6; Ohm (akustisch) besitzen und daß die Dicken dieser Plättchen gleich e1 = λ/2,16 bzw. e2 = λ/3,37 für die Frequenz FA sind.

4. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Plättchen (201) eine Dicke besitzt, derart, daß es bei λ/2 mit einer Frequenz von 250 kHz in Resonanz tritt und daß die Sendefrequenzen, an die der Wandler angepaßt ist, im wesentlichen gleich 350 kHz und 150 kHz sind.