DE3146949C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler zur Aufnahme von Ultraschallwellen in einem flüssigen Übertragungsmedium mit einem dünnen piezoelektrischen Grundkörper aus Polyvinylidenfluorid PVDF, der auf seinen Flachseiten mit Elektroden versehen ist, von denen eine als Punktkontakt gestaltet ist und die aktive Fläche des Empfängers bestimmt. Derartige Ultraschallwandler sind bekannt unter der Bezeichnung "Hydrophon".

Damit ein Ultraschallwellenfeld originalgetreu abge­ bildet wird, darf das Hydrophon die Schallwellen nicht stören. Ferner muß die Eigenresonanzfrequenz des Hydrophons höher liegen als die geforderte Bandbreite. Bei einer Bandbreite von beispielsweise etwa 10 MHz bedeutet dies eine Ausdehnung des piezoelektrischen Grundkörpers in Schallausbreitungsrichtung von höchstens etwa 100 µm.

Ein bekanntes Hydrophon, das zur Verwendung in Wasser als Übertragungsmedium vorgesehen ist, enthält als piezoelektrischen Grundkörper eine Folie mit einer Dicke von etwa 25 µm, die an ihrem Rand in einen Rahmen eingespannt ist. Die Folie ist an ihren Flachseiten mit Elektroden versehen, von denen eine als Punktkontakt mit einer Ausdehnung von etwa 0,5 mm² gestaltet ist und die aktive Fläche des Empfängers bestimmt. Die Gegenelektrode dient zugleich zur Abschirmung. Das Gerät ist verhältnis­ mäßig kompliziert und empfindlich gegen mechanische Beschädigungen (J. Accoust. Soc. Am. 69 (3), März 1981, Seiten 853 bis 859).

Es ist ferner ein Ultraschallwandler bekannt, der zugleich als Sender und Empfänger dient. Bei diesem bekannten Ultraschall­ wandler ist eine Sende-Schicht mit hoher Schallimpedanz und eine Empfangsschicht mit niedriger Schallimpedanz vorgesehen. Diese Empfangsschicht dient zugleich als Anpassungsschicht für den Sender. In dieser bekannten Ausführungsform werden durch die hohe Schallimpedanz somit die Empfangswellen in der Sende­ schicht reflektiert (deutsche Auslegeschrift 29 14 031).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Ultra­ schallwandler zur Aufnahme von Ultraschallwellen in einem Hydro­ phon anzugeben, bei dem ein Impedanzsprung im Empfänger vermie­ den wird und das zugleich eine stabile Bauform ermöglicht, die in einfacher Weise hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Träger hat wenigstens annä­ hernd die gleiche Schallimpedanz wie das Übertragungsmedium. Er bildet mit der als Grundkörper dienenden PVDF-Folie eine mecha­ nisch stabile, im Betrieb leicht zu handhabende und dennoch flexible Baueinheit. In Verbindung mit Wasser als Übertragungs­ medium kann der Träger vorzugsweise aus vulkanisierbarem, un­ gesättigtem Äthylen-Propylen-Kautschuk bestehen, der Diene ent­ hält und bekannt ist unter der Bezeichnung EPDM-Gummi. Dieser Träger hat mit 1,5 · 10⁶ kg/m²s näherungsweise die gleiche Schall­ impedanz wie das Übertragungsmedium Wasser und stört das zu messende Ultraschallwellenfeld somit nicht. Der Träger ist we­ sentlich dicker als der Grundkörper und wirkt zugleich als Dämpfungskörper, der die Ultraschallwellen vollständig absor­ biert.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Ultra­ schallwandlers zur Aufnahme von Ultraschallwellen nach der Er­ findung schematisch veranschaulicht ist.

In der dargestellten Ausführungsform eines Ultraschallwandlers als Hydrophon ist ein Grundkörper 2 in der Form einer Folie aus piezoelektrischem Material, insbesondere Polyvinylidenfluorid PVDF, mit einer Dicke d von höchstens 100 µm vorgesehen. Dieser Grundkörper 2 ist an seiner vorderen Flachseite, die einem Übertragungsmedium 4, beispielsweise Was­ ser, zugewandt ist, mit einer Metallisierung versehen, die als Elektrode 6 dient. Auf der gegenüberliegenen Flachseite ist der Grundkörper 2 mit einer Elektrode versehen, die als Punkt­ kontakt 8 mit einer Flächenausdehnung von etwa 0,5 mm² gestal­ tet ist und die aktive Fläche des Empfängers 10 bildet, welcher in der Figur gestrichelt angedeutet ist. Der Punktkontakt 8 kann beispielsweise aus aufgedampftem Chrom/Silber mit einer Schichtdicke von wesentlich weniger als 1 µm bestehen und ist mit einem elektrischen Anschlußleiter 9 versehen. Der Grundkör­ per 2 ist an einem Träger 12 mit einer Dicke D von beispiels­ weise etwa 2 cm befestigt, beispielsweise mittels eines Kle­ bers 14. Der Träger 12 hat wenigstens annähernd die gleiche Schallimpedanz wie das Übertragungsmedium 4 und kann vorzugs­ weise aus EPDM-Gummi bestehen. Der Grundkörper 2 ist von einer Einfassung 16 umgeben, deren einander gegenüberliegend metal­ lisierte Flachseiten mit den Elektroden 6 und 8 des Grundkör­ pers 2 elektrisch leitend verbunden sind und die mit elektri­ schen Anschlußleitern 18 bzw. 19 eines Koaxialkabels 20 verbun­ den sind, das zur Signalübertragung vorgesehen ist. Zur Strom­ übertragung vom Grundkörper 2 zur Einfassung 16 können besonde­ re Überbrückungsleiter 22 und 23 vorgesehen sein, die bei­ spielsweise aus Golddrähten bestehen können. In der dargestell­ ten Ausführungsform liegt die Elektrode 6 über die Leiter 18 und 22 auf Nullpotential und dient damit zugleich als Abschir­ mung. Eine Schutzschicht ist in der Figur mit 24 bezeichnet.

Ist als Trägermedium 4 beispielsweise Wasser mit einer Impedanz von 1,5 · 10⁶ kg/m²s vorgesehen und besteht der Träger 12 beispielsweise aus EPDM-Gummi mit einer Impedanz von ebenfalls 1,5 · 10⁶ kg/m²s, so tritt ledig­ lich am Übergang zur PVDF-Folie des Grundkörpers 2 mit einer Impedanz von 3,5 · 10⁶ kg/m²s ein geringer Impedanz­ sprung auf. Mit einer Dicke d der PVDF-Folie von bei­ spielsweise 30 µm beträgt die Durchlässigkeit bei einer Frequenz von beispielsweise 2 MHz etwa 97% und bei einer Frequenz von beispielsweise 10 MHz etwa 63%. Bei einer Frequenz von 2 MHz beträgt die Wellenlänge etwa 1 mm und bei einer Frequenz von 10 MHz ergibt sich eine Wellenlänge von 0,2 mm. Mit einer Foliendicke des Grund­ körpers 2 von beispielsweise 30 µm ist somit die Welle wesentlich länger als die Dicke d des Grundkörpers und die durchlaufende Welle wird somit originalgetreu als elektrisches Signal wiedergegeben. Eine Störung der Welle durch den Träger 12 tritt nicht auf.

Dieser piezoelektrische Ultraschallwandler kann wegen der Flexibilität der wesentlichen Einzelelemente der Baueinheit, nämlich des Grundkörpers 2, des Trägers 12 sowie der Einfassung 16, in nahezu beliebiger sphäri­ scher Form hergestellt werden. Durch Herausätzen aus der Metallisierung der Rückseite des Grundkörpers 2 können einzelne Piezoelemente jeder Form und Größe leicht her­ gestellt werden. Die Breitbandigkeit ist bereits durch die Eigenschaften der Folie selbst sichergestellt. Mit der dünnen Folie des Grundkörpers 2 liegt man mit einer Dickenresonanz von etwa 30 MHz und einem erwarteten Empfindlichkeitsminimum bei etwa 60 MHz verhältnismäßig weit oberhalb der erwarteten Bandbreite von etwa 10 MHz.

Im Ausführungsbeispiel ist in Verbindung mit Wasser als Übertragungsmedium 4 ein Träger 12 aus EPDM-Gummi angenommen. In Verbindung mit einem anderen Übertra­ gungsmedium, beispielsweise Öl, wird auch das Material des Trägers entsprechend gewählt.

Die im Ausführungsbeispiel dargestellten Anschlußleiter 18 und 19 können auch direkt zu einem in der Figur nicht dargestellten Vorverstärker führen.

Claims (2)

1. Ultraschallwandler zur Aufnahme von Ultraschallwellen in einem flüssigen Übertragungsmedium (4) mit einem dünnen piezo­ elektrischen Grundkörper (2) aus Polyvinylidenfluorid PVDF, der auf seinen Flachseiten mit Elektroden (6, 8) versehen ist, von denen eine als Punktkontakt (8) gestaltet ist und die aktive Fläche des Empfängers (10) bestimmt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Grundkörper (2) auf einem mechanischen Träger (12) angeordnet ist, der wenigstens an­ nähernd die gleich akustische Impedanz wie das Übertragungs­ medium (4) hat.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Träger (12) aus EPDM-Gummi besteht.