DE877048C - Schallwellenverzoegerungsleitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Schallwellenverzögerungsleitung, welche aus einem geeigneten keramischen Werkstoff hergestellt ist.

Bei einer großen Zahl von Vorrichtungen, z. B. Mikrooszillographen, Echoloten, Rechenmaschinen, Zählkreisen und Impuls- und Zeitmesserkreisen, besteht ein Bedürfnis für Verzögerungsleitungen.

Die Verzögerungsleitung nach der vorliegenden Erfindung ist in mancher Hinsicht den bisher benutzten Verzögerungsleitungen überlegen. Zunächst ist der Herstellungspreis der erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung viel niedriger als der bisher bekannter Verzögerungsleitungen. Der erfindungsgemäß benutzte Werkstoff kann geformt, gepreßt, gespritzt, oder auf beliebige andere geeignete Weise in jede gewünschte Form gebracht werden, so daß die mechanische Ausbildung der besonderen Anordnung angepaßt werden kann, mit welcher die Verzögerungsleitung benutzt werden soll. Der erfindungsgemäße keramische Werkstoff ist mechanisch rauh und bei normaler Behandlung keiner Bruchgefahr ausgesetzt. Erfindungsgemäß hergestellte Anordnungen sind gegen Feuchtigkeit unempfindlich.

Die Dämpfung der erfindungsgemäßen Anordnungen beträgt 30 bis 40 db, was unterhalb des bei der bekannten Bauart aus geschmolzenem Quarz erhaltenen Wertes liegt. Da die erfindungsgemäßen Anordnungen mit sehr leichtem Gewicht und geringen Abmessungen hergestellt werden können, besitzen sie bestimmte physikalische Vorteile gegenüber den unbequemen Verzögerungsleitungen mit Quecksilber. Erfindungsgemäß hergestellte Anordnungen sind insofern vorteilhafter als Verzögerungsleitungen mit Magnetostriktion, als. sie höhere Frequenzen durch-

lassen. Die Tatsache, daß die erfkidungsgemäße Verzögerungsleitung eine Einheit darstellt, vereinfacht sowohl die Herstellung wie die Formgebung.

Bei vielen bisher bekannten Verzögerungsleitungen war es schwierig, konstante Kenngrößen in einem großen Temperaturbereich aufrecht zu erhalten. Um diesem Übelstand abzuhelfen, war es bisher erforder-' lieh, empfindliche Zusatzkreise einzuschalten, welche die Temperaturabweichung der ursprünglichen Kontaktelemente ausgleichen. Erfindungsgemäße Verzögerungseinheiten haben im wesentlichen konstante Eigenschaften in einem weiten Temperaturbereich, so daß eine weitere Vereinfachung durch den Fortfall derzusätzlichenKompensationseinrichtunggegebenist. Nach der Erfindung lassen sich Verzögerungsleitungen herstellen, welche wirksamer als die bisher bekannten, einfacher und wirtschaftlicher als die bisher benutzten sind. Die Herstellung von Bauarten ist möglich, welche der besonderen Anordnung angepaßt sind, mit welcher sie benutzt werden.

Bauarten, welche in Form und Größe weitgehend

voneinander verschieden sind, sowie Elemente für Verzögerungsleitungen, welche leicht zu handhaben sind und eine große Menge von Anwendungen gestatten, können hergestellt werden.

Die Herstellung von Bauarten, welche ein geringes Gewicht und kleine Abmessungen haben und von Elementen für Verzögerungsleitungen, welche in einem weiten Temperaturbereich wesentlich konstante Eigenschäften beibehalten und gegen Feuchtigkeit unempfindlich sind, wird bezweckt.

Weitere Kennzeichen der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, welche auf die Zeichnung Bezug nimmt.

Fig. 1 ist eine schaubildliche Ansicht der erfindungsgemäßen Einheit einer Verzögerungsleitung; Fig. 2 ist eine Aufsicht auf die Unterseite derselben; Fig. 3 ist eine Aufsicht auf die Oberseite einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 4 ist eine weitere Abwandlung, und

Fig. 5 ist eine Ansicht auf die rechte Seite der Fig. 4. Die bei 1 in 'Fig. 1 dargestellte Einheit für Verzögerungsleitungen ist ein Streifen, der wesentlich aus Bariumtitanat besteht und auf keramischem Wege hergestellt ist.

Die Herstellung dieses Materials erfordert eine genaue Kontrolle der Zusammensetzung der benutzten Rohstoffe. Diese Materialien werden zunächst durch heftiges Umrühren und Zermahlen innig mit den erforderlichen Trägern und Bindemitteln gemischt. Die Mischung oder Aufschlämmung wird dann ins Vakuum gebracht, um eingeschlossene Gase auszuscheiden, da das Vorhandensein derartiger Gase die Durchschlagspannung des Materials erniedrigt. Die Mischung wird dann entweder gegossen oder gespritzt, gepreßt oder auf beliebige andere geeignete Weise in die gewünschte Form gebracht, bevor sie gebrannt wird. Die so hergestellten Teile werden dann auf eine reine keramische Platte gebracht und unter genau kontrollierten Bedingungen gebrannt. Um hochwertige keramische Erzeugnisse unter wirtschaftlichen Bedingungen herzustellen, muß eine Temperaturtoleranz von ±3% aufrechterhalten werden, wenn das Brennen bei Temperaturen zwischen "1300 und 1500° C vorgenommen wird. 6g

Der Streifen 1, welcher, wie dargestellt, Rechteckform aufweist, hat obere und untere Seite 2 und 3, Seitenflächen 4 und 5 und Endflächen 6 und 7.

Nach dem Brennen des Keramikstreifens 1 auf die «ben beschriebene Weise werden Elektroden auf die Oberseite und die Unterseite 2 und 3 aufgebracht, wie bei 8, 9, 10 und 11 angegeben. Diese zweckmäßig aus Silber bestehenden Elektroden, welche jedoch aus einem anderen geeigneten Werkstoff bestehen können, werden durch Einbrennen eines Überzugs in den Streifen hergestellt. Der Streifen ist dann für die Vorpolarisation bereit. Die Vorpolarisation erfolgt durch Anlegen eines geeigneten elektrischen Potentials zwischen den Elektroden 8 und 10 und den Elektroden 9 und 11. Diese erzeugt piezoelektrische Wirkungen in dem von den Elektroden eingeschlossenen Volumen. Als Beispiel für das zur Sensibilisierung von Bariumtitanat enthaltendem keramischem Material zur Erzeugung piezoelektrischer Eigenschaften erforderliche Potential sei angegeben, daß die Anlegung eines Gleichstromfeldes von bis zu 200 V/mm für eine Zeit von etwa 1 Stunde erforderlich ist, um die Ausrichtung eines großen Gebiets innerhalb des Streifens zu erzielen. Es wird eine mechanische Keilwirkung ausgeübt, welche den größten Teil des so ausgerichteten Gebiets in seiner Richtung hält, obwohl einige Verluste während einer Erholungszeit von einigen Tagen auftreten.

Die ausgerichteten Dipole tragen zur piezoelektrischen Kopplung bei. Nach der Sensibilisierung des Materials auf die oben beschriebene Weise ist der mit seinen Elektroden versehene keramische Streifen als eine akustische Verzögerungsleitung verwendbar. Dieser arbeitet folgendermaßen:

Es sei angenommen, daß der Pfeil Y die lotrechte Durchdringungsrichtung in bezug auf den Streifen 1 bedeutet, während der Pfeil Z die waagerechte Durchdringungsrichtung und der Pfeil X die Längsrichtung angibt.

Wenn ein elektrisches Signal zwischen den Elektroden 8 und 10 angelegt wird, dehnt sich der Streifen in der Y-Richtung unter Ausgleich in der X—Z-Richtung aus oder zieht sich zusammen, je nach der Polarität des Signals. Hierdurch entsteht eine in der Y-Richtung wandernde mechanische Welle. Die Geschwindigkeit dieser Welle hängt etwas von den Abmessungen und der Zusammensetzung des keramischen Materials ab, liegt aber im allgemeinen in der Größenordnung von 2,37/is je Zentimeter.

Wenn die Energiewelle das von den Elektroden 9 und 11 eingeschlossene Volumen erreicht, wird sie in elektrische Energie umgeformt, so daß ein elektrischer Impuls oder ein Signal mit einer vorausbestimmten Zeitverzögerung gegenüber dem Eingangssignal abgenommen werden kann. Das Ausgangssignal kann ein einzelner Impuls oder eine Modulation einer Hochfrequenz sein.

Die Polarität des Ausgangssignals gegenüber dem Eingangssignal hängt von der Polarität der an 8 und 10 angelegten Vorpolarisationsspannung gegenüber der an 9 und 10 angelegten Spannung ab. Wenn

die Aufladungspolaritäten gleich sind, haben das Eingangs- und das Ausgangssignal die gleiche Polarität. Wenn jedoch die Aufladungspotentiale entgegengesetzt sind, sind das Eingangs- und das Ausgangssignal ebenfalls entgegengesetzt.

Die Elektroden 8 und io können von der Oberseite 2 und der Unterseite 3 nach der Vorpolarisierung abgenommen werden, und neue Elektroden können auf die Seitenflächen 4 und 5 aufgesetzt werden.

Ebenso können die Elektroden 9 und 11 von der Oberseite 2 und der Unterseite 3 entfernt werden, und neue Elektroden können an die Seitenflächen 4 und 5 angelegt werden.

Anstatt nur kleine Elektrodenabschnitte der bei 8, 9, 10 und 11 gezeigten Art aufzubringen, können anders geartete Elektroden angebracht werden. Anders ausgedrückt, sowohl die Oberseite wie die Unterseite können mit einem vollständigen Silberüberzug versehen werden. Die Vorpolarisierung kann mit einem vollständigen überzug vorgenommen werden, oder auch, nachdem kleine Abschnitte des Silberbelags in der Querrichtung jeder Fläche entfernt wurden, so daß elektrisch getrennte Eingangs- und Ausgangsklemmen entstehen. Ein auf diese Weise ausgebildetes Element einer Verzögerungsleitung ist im Ganzen mit 12 auf Fig. 3 bezeichnet. Diese Figur zeigt einen Grundriß eines Elements, dessen äußere Gestalt dem des Elements der Fig. 1 und 2 entspricht, wobei jedoch Fig. 3 nur einen Grundriß zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind Elektrodenabschnitte aus Silber oder einem anderen Metall bei 13, 14 und 15 vorhanden, wobei unüberzogene Abschnitte von keramischem Material bei 16 und 17 frei gelassen sind. Diese Ausführungsform wird so erhalten, daß zunächst die ganze Fläche mit Silber überzogen wird, worauf das Silber bei 16 und 17 entfernt wird.

Gegebenenfalls können weitere Elektrodenelemente vorgesehen werden, z. B. durch weitere Entfernung von Silberabschnitten, z. B. auf dem Teil 14. Ferner ist es nicht erforderlich, daß Elektroden an den Enden des Elements vorhanden sind, wie bei 13 und 15. Stattdessen können diese Elektroden entfernt werden, und ähnliche Elektroden können an von den Enden aus gesehen nach innen zu gelegenen Stellen des Elements angebracht werden. Dagegen können gegenüberliegende. Seiten des keramischen Körpers vollständig versilbert werden, wobei Abschnitte des Silberbelags nur auf einer der versilberten Flächen entfernt werden, so daß die vollständig versilberte Fläche eine gemeinsame Elektrode der Eingangs- und Ausgangselektroden wird.

Die Enden des keramischen Elements können in der Y—Z-Richtung oder in einer beliebigen anderen räumlichen Richtung vorpolarisiert werden, wobei die entgegengesetzten Enden eines Elements in voneinander verschiedenen Richtungen polarisiert sein können. Ebenso können die Eingangs- oder Ausgangselektroden für eine Verbindung in der Y-, Z-, oder in irgendeiner anderen Winkelrichtung aufgebracht werden. Die Geschwindigkeit der akustischen Fortpflanzung hängt natürlich davon ab, ob longitudinale oder transversale (Scherwelle) Wellen erzeugt werden, wobei die Geschwindigkeit einer transversalen Welle beträchtlich kleiner ist, als die einer longitudinalen Welle.

Die in den obigen Elementen von Verzögerungsleitungen erzeugten Energiewellen erleiden eine Reflexion an den Enden dieser Elemente. Diese Wirkung kann zur Erzielung einer großen Reihe von Impulsen ausgenutzt werden, welche bei geeignetem zeitlichem Verlauf zu einem breiten Impuls verschmolzen werden können. In gewissen Fällen sind diese Reflexionen am Ende jedoch unerwünscht, und die Erfindung betrifft mehrere Verfahren zur Unterdrückung derselben.

Die Reflexionen können durch den geeigneten Abschluß des reflektierenden Endes in einem absorbierenden Mittel verringert werden. Eine weitere wirksame Methode besteht darin, reflektierte Wellen zu erzeugen, welche in der Phase verschoben sind oder in Gegenphase liegen und sich gegenseitig teilweise oder vollständig auslöschen.

Eine Ausführungsform für die Berichtigung der Reflexionen am Ende im Körper des Verzögerungselements selbst ist auf Fig. 4 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform weist der Körper aus keramischem Bariumtitanat, welcher im ganzen mit 20 bezeichnet ist, versilberte oder andere Elektrodenteile 21, 22 und 23 auf, welche durch Entfernung des Silberbelages an den Stellen 24 und 25 voneinander getrennt wurden. Das im ganzen mit 26 bezeichnete Ende des Körpers 20 ist gespalten, wobei ein Teil dieses Endes entfernt ist, so daß bei 27 ein Absatz entsteht, während sich der übrige Teil in einem Ansatz 28 fortsetzt. Auf den Ansatz 28 ist eine feste Klammer 29 aufgesetzt.

Der Absatz 27 bildet einen mechanischen Kurzschluß für die einfallende akustische Welle, während die Klammer auf dem Fortsatz 28 einen mechanisch offenen Kreis für die einfallende Welle darstellt. Auf diese Weise entstehen an dem Ende 27 und dem Fortsatz 28 Wellen, die in Gegenphase liegen und einander auslöschen.

Anstatt eine Klammer der bei 29 gezeigten Art aufzusetzen, können Reflexionen dadurch verhindert werden, daß man die Verzögerungsleitung in einem vollständig kreisförmigen oder ovalen Abschnitt hoher akustischer Verluste endigen läßt, so daß sie so abgeschlossen wird, daß keine Rückkehr des Signals zu dem Hauptteil der Leitung möglich ist.

Zur Vergrößerung der Verzögerungszeit kann durch geeignete Einstellung der Linsenwirkung der Elektroden die Energiewelle zwischen den Seitenwänden eines rechteckigen Körpers bei ihrem Durchgang durch diesen rückwärts und vorwärts reflektiert werden. Diese Wirkung kann noch dadurch unterstützt werden, daß der keramische Körper zickzackförmig geschnitten wird. Wenn das Element für eine Verzögerungsleitung keine Rechteckform hat, sondern als ein Rohr ausgebildet ist, dessen Elektroden auf der Innen- und Außenwand dieses Rohres sitzen, kann die Verzögerungszeit dadurch vergrößert werden, daß das Rohr schraubenförmig ausgeschnitten wird.

Wenn der zur Erzeugung einer Verzögerungszeit benutzte keramische Körper Plattenform hat, kann

die Anordnung der Elektroden zur Erzeugung der Verzögerungszeit benutzt werden. Die Elektroden können quadratisch, kreisförmig oder punktförmig sein und über die Oberflächen verteilt sein.

Aus obigem geht hervor, daß die Verwendung eines im wesentlichen Bariumtitanat enthaltenden keramischen Elements die Herstellung von verhältnismäßig billigen und leicht zu handhabenden Verzögerungskreisen für zahlreiche Anwendungen ermöglicht. Diese ersetzen bequem die gegenwärtig für diese Zwecke benutzten schwerfälligen Vorrichtungen und öffnen neue Anwendungsgebiete, auf welchen die früheren Vorrichtungen nicht benutzt werden können. Ein Beispiel hierfür ist ein Anzeigeelement mit kleinen Abmessungen für die Untersuchung verschiedener Vorgänge in größeren Körpern.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schallwellenverzögerungsleitung, gekennzeichnet durch einen keramischen Körper, welcher im wesentlichen aus einem Titanat besteht und zur Erzeugung piezoelektrischer Effekte polarisiert werden kann.

2, Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Körper im wesentlichen aus feinen Teilchen eines Titanats besteht.

3. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Körper im wesentlichen aus Bariumtitanat besteht.

4. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Körper im wesentlichen aus feinen Teilchen des Bariumtitanats besteht.

5. Verzögerungsleitung nach einem der Anspräche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß voneinander entfernte Elektroden auf die Oberfläche des keramischen Körpers aufgesetzt sind und mit diesem in mechanischem Kontakt stehen.

6. Verzögerungsleitung nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Körper aus einem piezoelektrischen keramischen Material mit einer großen Zahl von gerichteten Dipolen, deren größerer Teil in die gleiche Richtung eingestellt ist.

7. Verzögerungsleitungen nach den Ansprüchen ι bis 6, gekennzeichnet durch einen keramischen Körper mit ausgeprägten Seiten- und Endflächen, wobei ein Teil des Körpers über eine Endfläche hinausragt (28, Fig. 4).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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