DD283254A5

DD283254A5 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DD283254A5
Application number: DD32866289A
Authority: DD
Inventors: Dieter Becker; Hans-Holger Wagner; Johannes Wolf
Original assignee: Freiberg Brennstoffinst
Priority date: 1989-05-17
Filing date: 1989-05-17
Publication date: 1990-10-03
Also published as: DE4014199A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler zur Erzeugung und zum Detektieren von Ultraschallschwingungen in Gasen, vorzugsweise im Frequenzbereich 20 kHz bis 200 kHz. Das Ziel der Erfindung besteht in der Verbesserung der Wirksamkeit und der oekonomischen Parameter von Ultraschallwandlern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen in radialer Abmessung erregten Ultraschallwandler zu entwickeln, der im Frequenzbereich 20 kHz bis 200 kHz eine gute Anpassung der akustischen Impedanz an das schalluebertragende Medium auch bei Verwendung oekonomisch guenstiger zu fertigender Transformationsschichten und ohne besondere Anforderungen an die Elektrodengestaltung garantiert. Erfindungsgemaesz ist die Dicke der Scheibe aus piezokeramischem Material 110 der Dicke der l/4-Transformationsschicht und besteht die l/4-Transformationsschicht aus geschaeumtem Glas, wobei die Scheibe aus piezokeramischer Keramik und die Transformationsschicht fest zu einem Koppelschwinger verklebt sind und dieser in eine Schutzhuelle mit einer elastischen Klebeschicht eingebettet ist. Fig. 1{Ultraschallwandler; Schallerzeugung; Schall Detektieren; Ultraschallschwingungen in Gasen; radiale Erregung; Impedanzanpassung; Schalluebertragung; oekonomische Transformationsschichten; Schaumglas; Koppelschwinger}

Description

Durch die Porenstruktur läßt sich das Material sehr leicht becrboiton und sehr gut mit piezokeramisohen Scheiben verkleben. Oberflechenunebenheiten auf der keramischen Scheibe, beispielsweise durch aufgelöste Anschlußdrähte, lassen sich durch die

leichte Bearbeitbarkeit des Materials ausgleichen.

Erfindungsgemäß besteht der Ultraschallwandler aus einer piezokeramischen Scheibe, auf deren Elektroden am Rand dünne Anschlußdrähte aufgelötet sind. Die der schallabstrahlenden Seite zugewandte Elektrode ist dabei mit Bezugspotential (Schirm)

verbunden. Auf diese Seite ist die λ/4-Transformationsschicht, die den gleichen Durchmesser wie die piezokeramische Scheibe aufweist, dauerhaft aufgeklebt, wobei als Material geschäumtes Glas eingesetzt ist. Die Dicke der piezokeramischen Scheibe muß kleiner sein als Vio der Dicke der aufgeklebten λ/4-Transformationsschicht aus geschäumten Glas. Dieser

Koppelschwinger wird elastisch mit einer Schutzhülle verklebt. Eine weitere Verbesserung des elektronischen Wirkungsgrades des Ultraschallschwingers ergibt sich, wenn die

piezokeramische Scheibe beidseitig mit je einem λ/4-Zylinder aus geschäumtem Glas beklebt wird und auf einer Fläche des so entstandenen Kombinationsschwingers gelagert wird.

Da der piezoelektrische Effekt umkehrbar ist, läßt sich der Ultraschallschwinger mit gleichen Vorteilen sowohl als Aktor als auch

als Detektor für Ultraschallschwingungen in Gasen einsetzen.

Der Ultraschallwandler hat den Vorteil, daß handelsübliche piezokeramische Scheiben ohne besondere Elektrodenformen

verwendet werden können und daß geschäumtes Glas ein außerordentlich billiger und sehr ökonomisch formbarer Werkstoff ist, so daß die Herstellung des Ultraschallwandlers sehr geringe Kosten verursacht und das physikalische Wirkungsprinzip einen hohen elektroakustischen Wis kungsgrad hat.

Ausführungsbelspleie Die Erfindung soll nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen erläutert werden. Dazu zeigt Figur 1 den Ultraschallschwinger mit

einseitig aufgeklebter λ/4-Transformationsschicht.

Der Ultraschallschwinger besteht aus einer dünnen piezokeramischen Scheibe 1 mit beidseitig aufgebrannten Elektrodenflächen. Auf jede Elektrodenfläche ist eine Anschlußleitung 6 bzw. 7 aufgelötet, wobei die Anschlußleitung 7 mit dem Bezugspotential dor elektronischen Steuerschaltung verbunden wird. Die dem Bezugspo.'ential zugeordnete Elektrodenfläche ist mit der λ/4-Transformationsschicht 2 gleichen Durchmessers aus

geschäumtem Glas ,τι it finer Verklebung 4 fest verbunden. Zum Schutz gegen äußere mechanische Einwirkungen ist der so entstandene Koppelsuhwinger in ein* Schutzhülle 3 mit einer elastischen Klelischicht 5 eingebettet. Die Schutzhülle 3 kann gleichzeitig zur Befestigung ind Fixierung des Luft-Ultraschallschwingers verwendet werden.

Figur 2 zeigt den Ultraschallschwinger mit beidseitig aufgeklebten λ/4-Trans 'ormationsschichten 2. Dieser ist, wie im

vorgenannten Beispiel beschrieben, aufgebaut mit dem Unterschied, daß die piezokeramische Scheibe 1 beidseitig mit einer zylinderförmig gestalteten λ/4-Transformationsschichl 2 aus geschäumtem Glas mit je einer Verklebung 4 fest verbunden ist und der so entstandene Koppelschwinger in der Schutzhülle 3 mit der elastischen Klebeschicht 5 eingebettet und auf der nicht schallabstrahlenden Seite mit einer Schicht aus Dämmstoff 8 abgedeckt ist.

Claims

1. Ultrascfyallwandlerzum Erzeugen oder zum Detektieren von Ultraochallschwingungen in Gasen bei Frequenzen unter 200 kHz, bestehend aus einer Scheibe aus piezoelektrischer Keramik mit einer aufgeklebten λ/4-Transforinationsschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Scheibe aus piezoelektrischer Keramik (1) kleiner als Vio der Dicke der XM-Transformationsschicht ist, daß die ÄM-Transformationsschicht (2) aus geschäumtem Glas besteht, daß die Scheibe aus piezoelektrischer Keramik (1) und die XM-Transformationsschicht (2) aus geschäumtem Glas fest zu einem Koppelschwinger verklebt sind und dieser in einer Schutzhülle (3) mit einer elastischen Klebeschicht (5) eingebettet ist.

2. Ulatraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe aus piezoelektrischer Keramik (1) beidseitig mit je einer λ/4-Transformationsschicht (2) aus geschäumtem Glas zu einem Koppelschwinger verklebt ist und die nicht schallabstrahlende Seite dieses Koppelschwingers in der Schutzhülle (3) mit einem schallabsorbierenden Dämmstoff (8) abgedeckt ist.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Der Ultraschallwandler findet Anwendung zur Erzeugung und zum Detektieren von Ultraschallschwingungen in Gasen, vorzugsweise im Frequenzbereich 2OkHz bis 20OkKz, insbesondere als Aktor/Sensor zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen in Rohren großer Nennweiten.

Charakteri-'.kdes bekannten technischen Standes

Ultraschallwandler für Gase werden vorwiegend als Membranschwinger aufgebaut, wobei durch zusätzliche als Resonatoren wirkende Hohlräume sowie gemäß DE-OS 2547604 trichterförmige Aufsätze die Anpassung der akustischen Imperdanzen des Ultraschallschwingers an das Schallausbreitungsmedium verbessert wird. Mit Membranschwingern werden sowc^L' ^colien aus Plastmaterialien mit piezoelektrischen Eigenschaften und mit piezokeramischen Bimorf-Elementen mit Folienchardkter realisiert und häufig auch als Kopielschwinger aufgebaut, bei deren Metallmembranen mit Scheiben aus piezokeramischem Material verklebt werden.

Weiterhin sind aus DE-AS 2537788 Dickenschwinger bekannt, bei denen auf einen zylindrischen Körper aus piezokeramischem Material eine λ/4-Transformationsschicht aus mittels Klebeharz zusammengeklebten Glashohlkugeln aufgeklebt ist, wobei eine Verbesserung der Anpassung der akustischen Impedanzen des Kombinationsschwingers an das Schallausbreitungsmedium erreicht wird.

Diese Ultraschallwandler haben den Nachteil, daß die Anpassung der akustischen Impedanzen an das schallübertragende Gas mit Trichtern und Resonanzvolumina unvollkommen ist neben beträchtlicher Beeinträchtigung der dem Gas ausgesetzten Elektrodenflächen durch Umwelteinflüsse und daß Dickenschwinger praktisch nur für Frequenzen über 20QkHz mit piezokeramischen Materialien realisiert werden können. Weiterhin werden hohe Forderungen an die Oberflächengeometrie bei mit Epoxidharz verklebten Glashohlkugeln gestellt, wodurch eine besondere Elektroc'engestaltung der piezokeramischen Elemente erforderlich ist. Die Aufwendungen für die Herstellung des Glashohlkugelkö.pers und die besondere Elektrodengestaltung der piezokeramischen Elemente machen die Fertigung solcher Uüraschallwandler unökonomisch.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Verbesserung der Wirksamkeit und der ökonomischen Parameter bei der Herstellung und dem Einsatz von Ultraschallwandlern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen in radialer Abmessung erregten Ultraschallwantiler zu entwickeln, der im Frequenzbereich 20 bis 20OkHz eine gute Anpassung der akustischen Impedanz an das schallübertragende Medium auch bei Verwendung ökonomisch günstiger zu fertigender Transformationsschichten und ohne besondere Anforderungen an die Elektrodengest?itung des erregten piezokeramischen Materials garantiert.

Es wurde gefur.den, daß sich als Material für die Transformationsschicht vorteilhaft geschäumtes Glas, welches als Dämmateriai in der Bauindustrie eingesetzt wird, eignet. Dieses Material ist weitgehend gegenüber Umwelteinflüssen beständig und hat bei c ~ 600ms"', ρ ~ 0,125gcm"³ die sehr niedrige Schallimpedanz Z₀ = 7,5kgcm"²s"'.