WO1996031870A1 - Piezoelektrischer ultraschallwandler - Google Patents

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WO1996031870A1
WO1996031870A1 PCT/EP1996/001445 EP9601445W WO9631870A1 WO 1996031870 A1 WO1996031870 A1 WO 1996031870A1 EP 9601445 W EP9601445 W EP 9601445W WO 9631870 A1 WO9631870 A1 WO 9631870A1
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piezoelectric
ultrasonic transducer
transducer according
lamella
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Martin Reuter
Konrad Voigt
Valeri Weksler
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Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
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    • C04B38/08—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by adding porous substances
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    • C04B2111/00844—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 for electronic applications

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric ultrasonic transducer according to the preamble of the first claim, which is used in particular for transit time measurements.
  • the transducer resonance must be strongly attenuated, or the transducer must be operated below its lowest resonance frequency.
  • the achievable sound amplitude of the sound-radiating surface is then limited, since the required excitation voltages become very high.
  • This converter has the disadvantage that it can only be operated in resonance with a sufficiently high degree of efficiency.
  • the coupled mechanical properties of the layered composite there depending on the newly required frequency, power and directional characteristics, require a complete redesign of the entire converter structure in all of its individual components.
  • a converter according to DE 39 20 663 AI if it is to be used for transit time measurements, requires considerable additional damping measures.
  • the invention has for its object to provide a piezoelectric ultrasonic transducer, in which regardless of the choice of a specific excitation frequency, the electrical excitation follows the most precise, flat pulse emission with low temporal deformations of the pulse by transient and decay processes, and at low amplitudes of the excitation voltage can achieve sufficiently high sound levels. Furthermore, the invention is based on the object of specifying a piezoelectric ultrasound transducer which, even without additional damping measures, changes very quickly back into a state ready for reception after a transmission process.
  • the essence of the invention consists in the creation of a novel, largely decoupled arrangement of one (or more) lamella (s) made of piezoceramic material which operate in d 3 i mode and their direction of action or at least an essential component thereof via a narrow end face with a Geometrically adaptable, low-mass but rigid cover plate or cover plate is (are) whose normal n 2 with the above mentioned direction of movement or their components corresponds, only the low-mass cover plate being assigned the function of a sound-radiating and / or receiving surface.
  • the cover plate mentioned is in particular designed as an independently self-oscillating system.
  • the piezoceramic lamellae used in accordance with the invention are provided with an electrically conductive contact assignment on both sides of their large side surfaces.
  • Fig. 1 is a view of a basic embodiment according to the
  • FIG. 1 a is a perspective view of a possible embodiment according to FIG. 1,
  • FIG. 1b shows a view of a further embodiment according to FIG. 1
  • FIG. 2 shows a view of a second basic embodiment according to the invention
  • FIG. 2a shows a perspective view of an embodiment according to FIG. 2
  • FIG. 2b shows a further embodiment according to FIG. 2,
  • Fig. 3 is a view of a third embodiment according to the
  • FIG. 3 a a view of a variant according to FIG. 3
  • FIG. 4 a view of a fourth basic embodiment according to the invention
  • FIG. 5 a possibility of a lamella formation and arrangement according to FIG. 4 in plan view
  • FIG. 6 a further possibility 4 in top view
  • 7 shows a fifth basic embodiment according to the invention in a perspective view of a honeycomb-shaped lamella formation exposed by a cover plate
  • FIGS. 7 and 8 shows a schematic top view of a base plate formation when using a lamella structure according to FIGS. 7 and
  • FIG. 9 shows a further variant of an embodiment according to FIG. 4 in a side view.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a piezoelectric ultrasound transducer which consists of a piezoceramic, plate-shaped lamella 1 which is provided on both sides of its large side surfaces 23 with an electrical contact assignment which is conventional and not shown in more detail.
  • this lamella 1 is connected to a rigid cover plate 3.
  • the cover plate 3 is of relatively low mass compared to the mass of the piezoceramic vibrating system, consisting of the lamella 1, the electrode assignments mentioned and possibly a further counterplate or sound reflection means, not shown. The possibilities of a low-mass design are discussed in more detail below.
  • the normal directions which are also introduced for a clearer description of further exemplary embodiments, are denoted by nj in the case of said lamella 1 and ⁇ 2 and a respective associated arrow in the case of said cover plate 3.
  • the geometric design of the cover plate 3 is carried out in accordance with the invention in such a way that surface lines 5, which include a sound radiation angle ⁇ , which comprises the structure-borne noise which occurs when the piezoceramic lamella 1 is excited and which enters the cover plate 3 via the surface 21, so that a Surface 4 of the cover plate 3 is covered over the entire surface and homogeneously by the sound.
  • the cover plate 3 is preferably designed such that it forms an independently self-oscillating system.
  • the cover plate 3 is shaped, for example, by a cuboid design with the dimensions (4 • 5 • 5) mm.
  • a cuboid can, for example, have an inherent resonance frequency of 85 kHz.
  • the direction of action The associated natural resonance frequency of the piezoceramic lamella 1 can be dimensioned, for example, at 110 kHz.
  • Such a converter is preferably operated with a natural resonance of the cover plate, for example 85 kHz, ie the piezo lamella is operated outside of its natural resonance.
  • the arrangement and coupling according to the invention it is possible to generate large movement amplitudes of the piezo lamella even outside of their natural resonance and to transmit them to the cover plate, which leads to very large vibration amphtudies of the ultrasound-radiating surface.
  • the emitted ultrasonic energy can be increased by a factor of five compared to the prior art based on the radiating surface.
  • the arrangement according to the invention enables additional damping measures of the aforementioned piezo lamella without reducing the ultrasound amphtude.
  • FIG. 1 a shows in a perspective view that, depending on the desired directional characteristic or amplitude, the overall system described in FIG. 1 can also have a fundamentally correct longitudinal extension with a longer slat 1 and a correspondingly dimensioned cover plate 3 perpendicular to the normal directions nj and n 2 .
  • FIG. 1b shows a further embodiment of the cover plate 3 in the form of an upside-down truncated pyramid 33, which is connected with its small cover surface to the lamella 1 on its narrow side 21.
  • FIG. 2 shows a further basic embodiment according to the invention, in which a plurality of piezoelectric lamellae 1, which are equally spaced from one another, are connected on their respective narrow sides 21 to a continuous, one-piece cover plate 3.
  • the distance between the lamellae 1 should be such that the surface 4 of the top surface 3 is evenly and homogeneously covered by the structure-borne noise of the piezo lamellae 1, as is indicated schematically by dashed lines 5.
  • This arrangement can also be carried out analogously to FIG. It is also possible, as long as the required bending stiffness of the cover plate 3 is not impaired, to insert or make several recesses or bevels following the surface lines 5 on the underside of the cover plate.
  • FIGS. 2a and b show a further embodiment of FIG. 2, in which the cover plate 33 ', similar to that in FIG. 1b, is designed as a truncated pyramid in one dimension.
  • the cover plate 33 ' is excited by two piezoceramic lamellae 1, which can be excited with the same frequency and phase position.
  • FIG. 3 shows a further basic embodiment according to the invention, in which a plurality of modular systems designed according to FIG. 1 are used, which are carried by a holder 10, which is preferably arranged in the plane of the mass balance of the system.
  • each of the slats 1 used has its own cover plate 31.
  • Such a design is particularly suitable for variable and different control with respect to the frequency, phase position and / or amplitude of the individual modules, as a result of which both the beam angle and the beam angle Can generally influence the direction of sound propagation within wide limits.
  • FIG. 3a An embodiment according to FIG. 3a is formed largely analogously to FIG. 3, two modules being assigned a common cover plate 32 here.
  • the common cover plate 32 can be in one piece executed, or be produced by gluing two adjacent cover plates 31.
  • the advantages that can be achieved in this way correspond to those described for FIG. 3.
  • the modules provided in FIGS. 3a and 3a can be spaced equidistantly or from one another, as shown, differently and, as shown in FIG. 3a, be arranged on curved paths in order to achieve certain focusing effects.
  • the ultrasound radiation behavior is essentially determined by the predetermined resonance properties of the cover plates 3, 31, 32, 33, 33 ', so that the piezoceramic (s) lamella (s) 1 also outside, but especially below that assigned to their direction of action Resonance frequency is (are) operable without a disturbing ultrasound ampute loss or the entire system becoming ineffective, as is the case in accordance with known designs of the prior art.
  • Another important advantage of the invention which is based on the fact that the arrangements created according to the invention can be operated below the resonance frequency of the piezoelectric excitation systems, consists in the fact that, in order to be able to emit the same ultrasonic powers, the respective designs are smaller by a factor of ten than equivalent are executable according to the prior art. If, for example, a converter according to the prior art were operated analogously to FIG. 1 a, with a resonance frequency of the cover plate of, for example, 60 kHz, also with 60 kHz, approximately 30 mm would be required for the effective piezo lamella length. In contrast, an effective piezoelectric lamella length of approximately 12 mm is required for a transducer constructed according to the invention with the same achievable outputs and an approximately 10 times smaller radiation surface 4.
  • FIG. 4 One of these further basic embodiments is to be described on the basis of a schematic embodiment according to FIG. 4.
  • This design has a massive base plate 6, for example consisting of a ceramic, and a parallel rigid and low-mass cover plate 30, between which a plurality of lamellae 1 made of a homogeneous piezoelectric material are arranged parallel to one another, which form base plate 6 and cover plate 30 run vertically and are connected to them via their narrow sides 22, 21. Between the lamellae 1 there is a free space of the extent a, which is fixed in the same direction on the order of ten times the individual lamella thickness d.
  • the piezoceramic lamellae 1 used here are made as thin as possible with respect to their thickness d, which is essentially determined by the mechanical stability still required or the electrical breakdown voltage not to be exceeded.
  • the individual lamellae 1 have dimensions of, for example, (0.2 • 3 • 18) mm, generally more than the number of individual lamellae 1 shown being used.
  • the individual slats 1 are in particular given a length / height ratio of the order of 5-10.
  • the heights and lengths mentioned, which essentially determine the respective natural resonance frequencies of the transducer do not limit the invention to only in any case.
  • the specific design regulations depend solely on the desired transducer properties, such as, for example, operating frequency, size, Sound amplitude, from which a multitude of conceivable embodiments falling under the invention results.
  • the piezoceramic lamellae 1 can be provided in a direction 11 3 , which are perpendicular to the normal directions n2 and n ⁇ with mutually different lengths, which, as shown in the example in FIG. 5, correspond to the chord lengths of a chord array in an ellipse, or a circle.
  • the respective individual lamellae 1 can be divided into sections 11, 12 of different lengths in the direction n 3 , as is schematically indicated in FIG. 6.
  • a transducer designed according to the above dimensioning information according to FIG. 4 has, for example, basic resonance frequencies at 50 kHz or 210 kHz. Such a transducer is designed to emit and receive air ultrasonic waves in a wide frequency range outside of its natural resonance points. Since it shows very little ringing in this operating mode, it is also very suitable for measurements of extremely short distances and for information transfer. All slats 1 are excited in phase with the same frequency and amplitude.
  • FIG. 7 A further possibility for the formation of correspondingly thin piezoceramic lamellae 1 is not shown to scale, schematically in FIG. 7.
  • This representation like that of a base plate 6 according to FIG. 8, does not correspond to the conditions prevailing in practice and only serves to illustrate the situation.
  • the cavities 8, the number of which is approximately 50 in reality with a dimension of the hollow body of, for example, (20 • 20 • 5) mm, are each provided with a metallic contact assignment (not shown in more detail), as a result of which the remaining, for example, 0, as lamellae , 3 mm thick ceramic bars are polarizable.
  • a base plate 6 which is shown in more detail in FIG. 8 and has a checkerboard pattern with corresponding electrodes 9, is provided, with which the aforementioned hollow body 7 is to be connected on its bottom surface.
  • the contacting of the respective electrodes 9 with each other and with the respective contact assignments of the cavities 8 is not shown for reasons of clarity.
  • the end face of the hollow body 7 provided with the named base plate 6 is again provided on the opposite end face with a cover plate 3 or cover plate 30 according to the previous embodiments, without this measure being shown in more detail in FIG. 7.
  • a transducer designed according to this embodiment is mechanically particularly stable, economical and advantageously producible, and can be used in the same way as that described so far.
  • FIG. 9 is shown schematically in FIG. 9, which is essentially analogous to FIG. 4, but in which the individual lamellae 1 used are related to a cover plate 30 used and to a base plate 6 at an angle ⁇ , with ⁇ ⁇ 90 °, are arranged.
  • the lamellae 1 are designed in the form of so-called bending vibrators, which, for example, according to the prior art, can be realized by two differently polarized ceramic layers.
  • Such bending vibrators generally produce much larger amplitudes.
  • Such an arrangement is acoustically particularly "soft” and therefore has an even better coupling behavior, for example in air, than those described so far Embodiments and can therefore be used particularly as a sound-receiving transducer.
  • the direction of vibration which the cover plate 30 follows is indicated in FIG. 9 by a double arrow.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Ultraschallwandler, der insbesondere für Laufzeitmessungen Verwendung findet. Die Aufgabe der Erfindung, einen piezoelektrischen Ultraschallwandler zu schaffen, bei dem unabhängig von der Wahl einer bestimmten Erregerfrequenz eine der elektrischen Anregung möglichst exakt folgende konphase, flächige Impulsemission mit geringen zeitlichen Verformungen des Impulses durch Ein- und Ausschwingvorgänge gewährleistet ist, und der bei geringen Amplituden der Anregungsspannung hinreichend große Schallpegel erzielen läßt, wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Masseschwerpunkt des Gesamtwandlersystems weitab einer schallabgebenden bzw. -empfangenden Oberfläche (4) gelegt ist, wenigstens eine piezoelektrische Lamelle (1) vorgesehen ist, die an einer ihrer Schmalseiten (21) mit wenigstens einer geometrisch variabel anpaßbaren, biegesteifen und in bezug auf die Gesamtwandler- bzw. Lamellenmasse massearmen Deckplatte (3) derart verbunden ist, daß zumindest im Fall eines schallabgebenden Betriebes die gesamte Oberfläche (4) der Deckplatte (3) durch Mantellinien (5) eines Abstrahlwinkels (α), mit denen die piezoelektrische Lamelle (1) in genannte Deckplatte (3) einstrahlt, möglichst vollständig erfaßt ist und einzig dieser Oberfläche (4) die Funktion der schallabstrahlenden und/oder -empfangenden Fläche zugewiesen ist.

Description

Piezoelektrischer Ultraschallwandler
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Ultraschallwandler gemäß der Gattung des ersten Patentanspruchs, welcher insbesondere für Laufzeitmessungen Verwendung findet.
Zur Erzeugung von Ultraschall werden in der Regel Schwinger aus einem piezoelektrischen Material eingesetzt. Dabei kommt der Ankopplung des Schwingers an das Medium, in das der Ultraschall emittiert werden soll, eine große Bedeutung zu. Die Ankopplung ist dabei umso besser, je geringer der Unterschied in der Schallkenn-Impedanz zwischen dem Schwinger und genanntem Medium ist. Soll der Ultraschall in die Luft emittiert werden, ist die Ankopplung im allgemeinen besonders schlecht, da sich die Schallkenn -Impedanzen von Luft und Piezokeramikmaterial um mehrere Größenordnungen unterscheiden.
Trotz der grundsätzlichen Problematik genannter schlechter Anpassung wird die abgestrahlte Schalleistung um so höher, je größer die Schallamplitude ist. Aus diesem Grund werden, bei Maßgabe der Erreichung hoher Schalleistungen, solche Wandler grundsätzlich in Resonanz betrieben.
Will man, z.B. zu Laufzeitmessungen, kurze Schallimpulse emittieren, so muß entweder die Wandlerresonanz stark bedämpft werden, oder der Wandler muß unterhalb seiner niedrigsten Resonanzfrequenz betrieben werden. Bei einlagigen Dickenschwingern sind dann der erreichbaren Schallamplitude der den Schall abstrahlenden Fläche enge Grenzen gesetzt, da die erforderliche-- Anregungsspannungen sehr hoch werden.
Eine vorhegender Erfindung am nächsten kommende Lösung wird in DE 3920 663 AI beschrieben. Bei dieser Lösung wird der sogenannte piezoelektrische QuerefFekt (d3i -Effekt) ausgenutzt. In dieser Schrift wird vorgeschlagen, einen elektroakustischen Schallwandler aus einem oder mehreren piezokeramischen Plättchen zu fertigen, wobei der Raum zwischen den Plättchen mit einem Material geringer Schallkenn- Impedanz, bspw. bestehend aus in ein Harz eingebettete Glas- oder SiC>2- Hohlkugeln o.a., ausgefüllt ist. Das gesamte Wandlerelement wird dabei durch einen massiven sandwichartigen Schichtpaketkörper gebildet, bei dem die abstrahlende und/oder empfangende Fläche durch eine Stirnseite des Schichtpaketes gebildet ist. Mit diesem Wandler sind konphase Oberflächenschwingungen mit nur einer vorbestimmten Richt¬ charakteristik erhaltbar. Diesem Wandler haftet der Nachteil an, daß er zum einen einzig in Resonanz mit einem ausreichend hohen Wirkungsgrad betreibbar ist. Zum anderen bedingen die gekoppelten mechanischen Eigenschaften des dortigen Schichtverbundes, je nach neu geforderter Frequenz, Leistung und Richtcharakteristik, eine völlige Neukonzipierung des gesamten Wandleraufbaus in all seinen Einzelbestandteilen. Desweiteren erfordert ein Wandler gemäß DE 39 20 663 AI, wenn er für Laufzeitmessungen verwendet werden soll, erhebliche zusätzhche Bedämpfungsmaßnahmen.
Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Ultraschallwandler zu schaffen, bei dem unabhängig von der Wahl einer bestimmten Erregerfrequenz eine der elektrischen Anregung möglichst exakt folgende konphase, flächige Impulsemission mit geringen zeithchen Verformungen des Impulses durch Ein- und Ausschwingvorgänge gewährleistet ist, und der bei geringen Amplituden der Anregungs¬ spannung hinreichend große Schallpegel erzielen läßt. Weiterhin hegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Ultraschall- wandler anzugeben, der auch ohne zusätzhche Bedämpfungsmaßnahmen nach einem Sendevorgang sehr schnell wieder in einen empfangsbereiten Zustand übergeht.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Das Wesen der Erfindung besteht in der Schaffung einer neuartigen, weitestgehend entkoppelten Anordnung einer (oder mehrerer) Lamelle(n) aus piezokeramischem Material, die in d3i - Modus arbeiten und deren Wirkrichtung oder mindestens eine wesentliche Komponente davon über eine schmale Stirnfläche mit einer geometrisch anpaßbaren, massearmen aber biegefesten Deckplatte bzw. Deckplättchen verbunden ist (sind), deren Normale n2 mit der oben genannten Bewegungsrichtung bzw. deren Komponenten übereinstimmt, wobei einzig der massearmen Deckplatte die Funktion einer schallabstrahlenden und/oder -empfangenden Fläche zugewiesen ist. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist genannte Deckplatte insbesondere als ein selbständig eigenschwingungsfähiges System ausgebildet. Die gemäß der Erfindung zum Einsatz gelangenden piezokeramischen Lamellen sind in jedem Fall beidseits ihrer großen Seitflächen mit einer elektrisch leitfähigen Kontaktierungsbelegung versehen.
Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von fünf grundlegenden Ausfühnmgsformen und zugehöriger schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht einer grundlegenden Ausführungsform gemäß der
Erfindung, Fig. la eine perspektivische Ansicht einer möglichen Ausführungs- form gemäß Fig. 1,
Fig. lb eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform gemäß Fig. 1, Fig. 2 eine Ansicht einer zweiten grundlegenden Ausführungsform gemäß der Erfindung, Fig. 2a eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsmöghchkeit nach Fig. 2,
Fig. 2b eine weitere Ausführungsform gemäß Fig. 2,
Fig. 3 eine Ansicht einer dritten Ausführungsform gemäß der
Erfindung, Fig. 3 a eine Ansicht einer Variante nach Fig. 3, Fig. 4 eine Ansicht einer vierten grundlegenden Ausführungsform gemäß der Erfindung, Fig. 5 eine Möglichkeit einer Lamellenausbildung und Anordnung nach Fig. 4 in Draufsicht, Fig. 6 eine weitere Möglichkeit einer Lamellenausbildung und Anordnung nach Fig. 4 in Draufsicht, Fig. 7 eine fünfte grundlegende Ausführungsform gemäß der Erfindung in perspektivischer Ansicht auf eine, von einer Deckplatte freigelegten wabenformigen Lamellenausbildung,
Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf eine Grundplattenausbildung beim Einsatz einer Lamellenstruktur gemäß Fig. 7 und
Fig. 9 eine weitere Variante einer Ausbildung gemäß Fig. 4 in seitlicher Ansicht.
In Figur 1 ist eine erste Ausführungsform eines piezoelektrischen Ultraschallwandlers dargestellt, der aus einer piezokeramischen, plattenformigen Lamelle 1 besteht, welche beidseits ihrer großen Seitenflächen 23 mit einer an sich üblichen, nicht näher dargestellten elektrischen Kontaktienmgsbelegung versehen ist. An einer ihrer Schmalseiten 21 ist diese Lamelle 1 mit einer biegesteifen Deckplatte 3 verbunden. Die Deckplatte 3 ist im Vergleich zur Masse des piezokeramischen Schwingersystems, bestehend aus der Lamelle 1, genannten Elektrodenbelegungen und ggf. einer weiteren, nicht näher dargestellten Gegenplatte bzw. Schallreflexionsmitteln, relativ massearm ausgeführt. Auf Möglichkeiten einer massearmen Ausführung wird im nachfolgenden näher eingegangen. Die Normalenrichtungen, die zur deutlicheren Beschreibung auch weiterer Ausführungsbeispiele eingeführt sind, sind bei genannter Lamelle 1 mit nj und bei genannter Deckplatte 3 mit Ω2 und einem jeweils zugehörigen Pfeil bezeichnet. Die geometrische Ausbildung der Deckplatte 3 erfolgt gemäß der Erfindung derart, daß Mantellinien 5, die einen Schallabstrahlwinkel α einschließen, welcher den bei Anregung der piezokeramischen Lamelle 1 entstehenden Körperschall umfaßt, der über die Fläche 21 in die Deckplatte 3 eintritt, so verlaufen, daß eine Oberfläche 4 der Deckplatte 3 möglichst ganzflächig und homogen vom Schall erfaßt wird. Bevorzugt ist die Deckplatte 3 so ausgebildet, daß sie ein selbständig eigenschwingungsfahiges System bildet. Dies kann z.B. durch Ausbildung der Deckplatte 3 durch in ein Epoxidharz eingebundene Glas- oder Sili-dumoxidhohlkügelchen geschehen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Deckplatte 3 bspw. durch eine quaderförmige Ausbildung mit den Abmessungen (4 • 5 • 5) mm geformt. Ein solcher Quader kann bspw. eine Eigenresonanzfrequenz von 85 kHz aufweisen. Die der Wirkrichtung zugeordnete Eigenresonanzftequenz der piezokeramischen Lamelle 1 kann bspw. zu 110 kHz bemessen sein. Ein solcher Wandler wird bevorzugt mit einer Eigenresonanz der Deckplatte, z.B. 85 kHz, betrieben, d.h. der Betrieb der Piezolamelle erfolgt außerhalb deren Eigenresonanz. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung und Ankopplung ist es möglich, große Bewegungsamplituden der Piezolamelle auch außerhalb deren Eigenresonanz zu erzeugen und auf die Deckplatte zu übertragen, was zu sehr großen Schwingungsamphtuden der ultraschallabstrahlenden Oberfläche führt. Die abgestrahlte Ultraschallenergie kann bezogen auf die abstrahlende Fläche etwa um einen Faktor fünf, gegenüber dem Stand der Technik, erhöht werden.
Der Betrieb der Piezolamelle außerhalb deren Resonanz bewirkt sehr kurze Ausschwingzeiten des Wandlers. Außerdem ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung zusätzhche Dämpfungsmaßnahmen ausschließlich genannter Piezolamelle, ohne eine Verringerung der Ultraschallamphtude zu bewirken.
In Figur 1 a ist in perspektivischer Ansicht dargesteUt, daß dem unter Fig. 1 beschriebenen Gesamtsystem je nach gewünschter Richtcharakteristik oder Amplitude auch eine grundsätzlich behebige Längsausdehnung mit länger ausgeführter Lamelle 1 und entsprechend bemessener Deckplatte 3 senkrecht zu den Normalenrichtungen nj und n2 gegeben sein kann. Figur lb zeigt eine weitere Ausgestaltung der Deckplatte 3 in Form eines auf dem Kopf stehenden Pyramidenstumpfes 33, der mit seiner kleinen Deckfläche mit genannter Lamelle 1 an deren Schmalseite 21 verbunden ist. Die geneigten Seitenflächen des Pyramidenstumpfes sind dabei bevorzugt weitestgehend parallel zu genannten, den Winkel α (welcher bevorzugt 90° beträgt) einschließenden Mantellinien 5 ausgerichtet, wodurch eine gleichmäßige und homogene Erfassung der Oberfläche 4 durch den Körperschall erreicht wird. Diese pyramidenstumpfartige Ausbildung der Deckplatte 3 führt weiterhin zu einer Reduzierung der Resonanzfrequenz, einer Vergrößerung der Abstrahl- bzw. Empfangerfläche und damit zu einer Vergrößerung der Sende- bzw. Empfangsempfindüchkeit, sowie zu einer Verbesserung der Richtcharakteristik. In Figur 2 ist eine weitere grundlegende erfindungsgemäße Ausführung dargestellt, bei der mehrere, voneinander gleich beabstandete piezoelektrische Lamellen 1 an ihren jeweiligen Schmalseiten 21 mit einer durchgängigen einstückigen Deckplatte 3 verbunden sind. Der Abstand der Lamellen 1 soll dabei gemäß obiger Maßgaben so bemessen sein, daß die Oberfläche 4 der Deckfläche 3 vom Körperschall der Piezolamellen 1 gleichmäßig und homogen erfaßt ist, wie es durch strichlinierte Mantellinien 5 schematisch angedeutet ist. Auch diese Anordnung kann analog zu Fig. la ausgeführt sein. Ebenso ist es möglich, solange die geforderte Biegesteifigkeit der Deckplatte 3 dadurch nicht beeinträchtigt wird, an der Deckplattenunterseite mehrere, den Mantellinien 5 folgende Ausnehmungen bzw. Abschrägungen ein- bzw. anzubringen.
Die Figuren 2 a und b zeigen eine weitere Ausführungsmöghchkeit zu Fig. 2, bei welcher die Deckplatte 33', ähnhch der zu Fig. lb, als in einer Dimension dachförmig ausgezogener Pyramidenstumpf ausgebildet ist. Die Anregung der Deckplatte 33' erfolgt in diesem Beispiel durch zwei piezokeramische Lamellen 1, die mit gleicher Frequenz und Phasenlage anregbar sind.
In Figur 3 ist eine weitere grundlegende Ausführung gemäß der Erfindung dargestellt, bei der mehrere, gemäß Fig. 1 ausgebildete modulare Systeme zum Einsatz gelangen, welche von einer Halterung 10, die bevorzugt in der Ebene des Masseschwe unktes des Systems angeordnet ist, getragen werden. Jede der dabei eingesetzten Lamellen 1 trägt in diesem Beispiel ihre eigene Deckplatte 31. Eine derartige Ausbildung ist besonders zur variablen und voneinander abweichenden Ansteuerung bzgl. Frequenz, Phasenlage und/oder Amplitude der einzelnen Module geeignet, wodurch sich sowohl der Abstrahlwinkel der Schallkeule als auch die Richtung der Schallausbreitung generell in weiten Grenzen beeinflussen läßt.
Durch Ansteuerung mit behebig wählbaren Impulsmustern in Raum und Zeit ist es prinzipiell möglich, Körper im Raum zu orten, ihre Entfernung, Größe und Lage zu bestimmen sowie ihre Bewegung zu verfolgen. Weitestgehend analog zu Fig. 3 ist eine Ausführung gemäß Fig. 3a ausgebildet, wobei hier zwei Modulen eine gemeinsame Deckplatte 32 zugewiesen ist. Die gemeinsame Deckplatte 32 kann dabei einstückig ausgeführt, oder durch Verkleben zweier benachbarter Deckplatten 31 hergestellt sein. Die hiermit erreichbaren Vorteile entsprechen denen zu Fig. 3 beschriebenen. Je nach Verwendungszweck können die in den Figuren 3 und 3 a vorgesehenen Module äquidistant oder untereinander, wie dargestellt, unterschiedlich beabstandet und, wie in Fig. 3a dargestellt, auf gekrümmten Bahnen angeordnet sein, um bestimmte Fokussierungseffekte zu erzielen.
Es hegt im Rahmen der Erfindung, auch die zu den Figuren 3 und 3a beschriebenen Ausführungen auch als flächenhaftes Array durch mehrfache Hintereinanderordnung dargestellter Baugruppen auszubilden.
Der Vorteil, den alle bis hierher beschriebenen Ausführungsformen bedingen, besteht im wesentlichen darin, daß je nach Verwendungszweck, eine beliebige Vielfalt an vorkonfektionierten piezokeramischen Lamellensystemen, bspw. unterschiedlicher Leistung, Eigenresonanzfrequenz, Geometrie, elektrischer Kapazität oder Schwingungsverhalten, und eine weitere Vielfalt an vorkonfektionierten Deckplatten, die sich z.B. bzgl. ihrer Geometrie, ihrer Materialeigenschaften und ihrer Resonanzeigenschaften unterscheiden, bereitgehalten werden kann, die dann für den speziellen Einsatzzweck miteinander in behebiger, vor allem aber definiert vorbestimmbarer Weise in Verbindung gebracht werden können. Im Sendebetrieb derartiger Baugruppen wird das Ultraschallabstrahlverhalten im wesentlichen von den vorgegebenen Resonanzeigenschaften der Deckplatten 3, 31, 32, 33, 33' bestimmt, so daß die piezokeramische(n) Lamelle(n) 1 auch außerhalb, vor allem aber unterhalb der ihrer Wirkrichtung zugeordneten Resonanzfrequenz betreibbar ist (sind), ohne einen störenden oder das Gesamtsystem unwirksam werden lassenden Ultraschallampütudenverlust aufzuweisen, wie dies entsprechend bekannter Bauformen des Standes der Technik der Fall ist. Ein weiterer wesenthcher Vorteil der Erfindung, der darin begründet ist, daß die gemäß der Erfindung geschaffenen Anordnungen unterhalb der Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Anregungssysteme betreibbar sind, besteht darin, daß, um gleiche Ultraschalleistungen abgeben zu können, die jeweiligen Bauformen um einen Faktor zehn kleiner als äquivalente gemäß des Standes der Technik ausführbar sind. Würde bspw. ein Wandler gemäß des Standes der Technik analog zu Fig. la, bei einer Resonanzfrequenz der Deckplatte von bspw. 60 kHz, mit ebenfalls 60 kHz betrieben werden, wären für die wirksame Piezolamellenlänge ca. 30 mm erforderlich. Demgegenüber ist für einen erfindungsgemäß aufgebauten Wandler bei gleichen erzielbaren Leistungen und einer ca. lOfach verkleinerten Abstrahloberfläche 4 lediglich eine wirksame Piezolamellenlänge von ca. 12 mm erforderlich.
In den weiter zu beschreibenden, unter die Erfindung fallenden Ausführungsformen, wird ein etwas anderer Weg, unter grundsätzlicher Beibehaltung der erfindungswesenthchen Mittel, zur Anpassung der Schallkenn-Impedanz beschriften.
Eine dieser weiteren grundlegenden Ausführungsformen soll anhand einer schematischen Ausführung gemäß Fig. 4 beschrieben werden. Diese Ausbildung weist eine massereiche Grundplatte 6, bspw. aus einer Keramik bestehend, und ein dazu parallel angeordnetes biegesteifes und massearmes Deckplättchen 30 auf, zwischen denen zueinander parallel eine Mehrzahl von Lamellen 1 aus einem homogenen piezoelektrischen Material angeordnet sind, die zu Grundplatte 6 und Deckplättchen 30 senkrecht verlaufen und über ihre Schmalseiten 22, 21 mit diesen verbunden sind. Zwischen den Lamellen 1 verbleibt jeweils ein Freiraum der Ausdehnung a, der in der Größenordnung eines Zehnfachen der Einzellamellendicke d in gleicher Richtung festgelegt ist. Die hier eingesetzten piezokeramischen Lamellen 1 sind bzgl. ihrer Dicke d möghchst dünn ausgeführt, was im wesenthchen durch die noch erforderliche mechanische Stabilität bzw. die nicht zu überschreitende elektrische Durchbruchspannung bestimmt ist. Für typische praktische Ausführungen haben die Einzellamellen 1 dabei Abmessungen von bspw. (0,2 • 3 • 18) mm, wobei in der Regel mehr als die dargestellte Anzahl einzelner Lamellen 1 zum Einsatz gelangen. Den Einzellamellen 1 ist dabei insbesondere ein Längen/Höhen- Verhältnis in der Größenordnung von 5 - 10 gegeben. Die genannten Höhen und Längen, welche im wesenthchen die jeweiligen Eigenresonanzfrequenzen des Wandlers bestimmen, beschränken die Erfindung jedoch in keinem Fall nur darauf, Die jeweils konkreten Bemessungsvorschriften hängen einzig von den gewünschten Wandlereigenschaften, wie z.B. Arbeitsfrequenz, Größe, Schallamplitude, ab, woraus eine Vielzahl denkbarer, unter die Erfindung fallender Ausführungsformen resultiert.
Für genanntes Deckplättchen 30 kommt im Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 4 bspw. eine dünne, ca. 0,3 mm dicke Scheibe aus Glas, Silizium, Keramik oder einem geeigneten Kunststoff in Betracht, die nach der Maßgabe der erforderlichen Biegesteifheit und geringen Masse auswählbar ist. Auch in dieser Bauform sind, ebenso wie in den zuvor beschriebenen, zellular aufgebaute Materialien, die aufgrund ihrer extrem geringen Masse dicker und damit biegesteifer aufgebaut werden können, vorteilhaft einsetzbar. Zur Unterdrückung etwaiger unerwünschter Querresonanzen können die piezokeramischen Lamellen 1 in einer Richtung 113, die senkrecht zu den Normalenrichtungen n2 und n\ mit voneinander unterschiedlichen Längen vorgesehen sein, welche sich, wie im Beispiel der Fig. 5 dargestellt, entsprechend der Sehnenlängen einer Sehnenschar in einer strid-liniert dargestellten Ellipse, oder eines Kreises, bemessen. Ebenso können bei einer gewünschten rechteckföπnigen Anordnung die jeweiligen Einzellamellen 1 in Teilstücke 11, 12 unterschiedlicher Länge in Richtung n3 unterteilt sein, wie es in Fig. 6 schematisch angedeutet ist. Ein entsprechend obiger Dimensionierungsangaben ausgebildeter Wandler gemäß Fig. 4 besitzt bspw. Grundresonanzfrequenzen bei 50 kHz bzw. 210 kHz. Ein solcher Wandler ist zum Abstrahlen und zum Empfang von Luftultraschallwellen in einem breiten Frequenzspektrum außerhalb seiner Eigenresonanzstellen ausgelegt. Da er in dieser Betriebsart nur äußerst geringe Nachschwingerscheinungen zeigt, ist er auch zu Messungen extrem kurzer Distanzen sowie zur Informationsübertragung sehr gut geeignet. Dabei werden alle Lamellen 1 gleichphasig mit gleicher Frequenz und Amplitude angeregt.
Eine weitere Möghchkeit zur Ausbildung entsprechend dünner piezokeramischer Lamellen 1 ist in Figur 7 nicht maßstäblich, schematisch dargestellt. Diese Darstellung, wie auch die einer Grundplatte 6 gemäß Fig. 8, entspricht nicht den in der Praxis vorhegenden Verhältnissen und dient lediglich der anschaulichen Erläuterung. Hier wird ein bevorzugt stranggepreßter, piezokeramischer, gesinterter Hohlkörper 7 mit wabenförmig verteilten Hohlräumen 8 verwendet. Die Hohlräume 8, deren Anzahl in Realität bei einer Abmessung des Hohlkörpers von bspw. (20 • 20 • 5) mm etwa 50 beträgt, sind jeweils mit einer, nicht näher dargestellten, metallischen Kontaktierungsbelegung versehen, wodurch die als Lamellen verbleibenden, bspw. 0,3 mm dicken Keramikstege polarisierbar sind. Dabei werden aneinanderfolgende Waben 8 mit elektrischen Spannungen unterschiedlichem Vorzeichens beaufschlagt. Um dies zu bewerkstelligen ist eine, in Fig. 8 im Detail näher dargestellte, schachbrettartig mit entsprechenden Elektroden 9 versehende Grundplatte 6 vorgesehen, mit der genannter Hohlkörper 7 an seiner Bodenfläche zu verbinden ist. Die Kontaktierung der jeweihgen Elektroden 9 untereinander und mit den jeweihgen Kontaktbelegungen der Hohlräume 8 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht weiter dargestellt. Die mit genannter Grundplatte 6 versehene eine Endfläche des Hohlkörpers 7 ist an der gegenüberhegenden Endfläche wiederum mit einer Deckplatte 3 bzw. Deckplättchen 30 entsprechend der bisherigen Ausführungsformen versehen, ohne daß diese Maßnahme in Fig. 7 näher dargestellt ist. Ein gemäß dieser Ausführungsform ausgebildeter Wandler ist mechanisch besonders stabil, ökonomisch und vorteilhaft herstellbar, und läßt sich in gleicher Weise, wie die bisher beschriebenen verwenden.
Alle bisherigen Ausfthrungsformen sind für einen reinen Kolbenhub der jeweihgen Deckplatten bzw. des jeweihgen Deckplättchens sowohl im sendenden als auch empfangenden Betrieb des Wandlers konzipiert.
Im weiteren ist in Figur 9 schematisch eine Ausführungsform dargestellt, die im wesenthchen analog zu Fig. 4 ausgebildet ist, bei der jedoch die zum Einsatz gelangenden Einzellamellen 1 in bezug auf ein verwendetes Deckplättchen 30 und zu einer Grundplatte 6 in einem Winkel ß, mit ß < 90°, angeordnet sind. In diesem Fall sind die Lamellen 1 in Form sogenannter Biegeschwinger ausgebildet, was bspw., entsprechend des Standes der Technik, durch zwei unterschiedlich polarisierte Keramikschichten realisierbar ist. Derartige Biegeschwinger hefern im allgemeinen viel größere Amplituden. Eine solche Anordnung ist akustisch besonders "weich" und hat daher ein noch besseres Ankoppelverhalten bspw. an Luft, als die bisher beschriebenen Ausführungsformen und kann deshalb besonders als schallempfangender Wandler Verwendung finden. Die Schwingungsrichtung, der das Deckplättchen 30 folgt, ist in Fig. 9 durch einen Doppelpfeil angedeutet.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in behebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste
1, 11, 12 - piezoelektrische Lamelle
21, 22 - Schmalseiten einer piezoelektrischen Lamelle
23 - große Seitflächen
3, 31, 32 - Deckplatte
33, 33' - Deckplatte als Pyramidenstumpf, -dach
30 - Deckplättchen
4 - schallabstrahlende bzw. empfangende Oberfläche
5 - Mantellinien α - Schallabstrahlwinkel
6 - Grundplatte
7 - piezokeramischer Hohlkörper
8 - wabenförmiger Hohlraum
9 - schachbrettartige Kontaktierungsbelegung
10 - Halterung
»1 - Lamellenno male n2 - Deckplatten- bzw. Deckplättchennoπnale n3 - Normalenrichtung senkrecht zu n] und n2 ß - Biegebalkenneigungswinkel a - Lamellenabstand d - Lamellendicke

Claims

Patentansprüche
1. Piezoelektrischer Ultraschallwandler mit anpaßbarer Schallkenn- Impedanz bestehend aus wenigstens einer, an ihren großen Seitflächen mit Elektroden versehenen Lamelle aus piezokeramischen Material, welche im d3i -Modus betreibbar ist, wenigstens einer schallabstrahlenden und/oder empfangenden Fläche, wobei der Masseschweφunkt des Gesamtwandlersystems weitab der schallabgebenden bzw. -empfangenden Oberfläche (4) gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
- wenigstens eine Lamelle (1) vorgesehen ist, die an einer ihrer Schmalseiten (21) mit wenigstens einer geometrisch variabel anpaßbaren, biegesteifen und in bezug auf die Gesamtwandler- bzw. Lamellenmasse massearmen Deckplatte (30; 3, 31, 32, 33, 33'), die bezüglich der ihr zugewiesenen geometrischen Bemessung so ausgebildet und mit kleiner Ankoppelfläche an die Schmalseite der Lamelle (1) angebunden ist, daß sie ein selbständig eigenschwingungsfähiges System bildet, derart verbunden ist,
- daß zumindest im Fall eines schallabgebenden Betriebes die gesamte Oberfläche (4) der Deckplatte (3, 31, 32, 33, 33') durch Mantellinien
(5) eines Abstrahlwinkels (α), mit denen die piezoelektrische Lamelle (1) in genannte Deckplatte (3, 31, 32, 33, 33') einstrahlt, möghchst vollständig erfaßt ist und
- einzig dieser Oberfläche (4) die Funktion der schallabstrahlenden und/oder -empfangenden Fläche zugewiesen ist, wobei die Eigenresonanzfrequenzen der wenigstens einen piezokeramischen Lamelle (1) und der schallabstrahlenden und/oder -empfangenden Deckplatte zueinander deutlich unterschiedlich festlegbar sind.
2. Piezoelektrischer Ultraschallwandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie der Deckplatte (3, 31, 32, 33, 33') zumindest in ihrer äußeren Deckplattenberandung dem Abstrahlwinkel (α) der Lamelle(n) im wesenthchen folgend festgelegt ist.
3. Piezoelektrischer Ultraschallwandler gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehreren zueinander parallel angeordneten und voneinander beabstandeten piezoelektrischen
Lamellen (1) an ihren jeweihgen Schmalseiten (21) eine gemeinsame einstückige Deckplatte (30; 3, 32, 33, 33') zugewiesen ist.
4. Piezoelektrischer Ultraschallwandler gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehreren zueinander parallel angeordneten und voneinander beabstandeten piezoelektrischen
Lamellen (1) an ihren jeweihgen Schmalseiten (21) jeweils eine separate Deckplatte (31, 33) zugewiesen ist.
5. Piezoelektrischer Ultraschallwandler gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil benachbarter Deckplatten (31, 33') teilweise miteinander verbunden und insbesondere als einstückige Deckplatte (32, 33') ausgebildet ist.
6. Piezoelektrischer Ultraschallwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß für das Material der Deckplatte(n) (3,
31, 32, 33, 33') eins mit vorgebbarer Schallkenn-Impedanz ausgewählt ist, welches vorzugsweise aus in Harz eingebetteten Hohlkugeln besteht.
7. Piezoelektrischer Ultraschallwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß die Normalen (nj) der piezoelektrischen Lamelle(n) (1) und die Normalen (n2) der
Deckplatte(n) (30; 3, 31, 32, 33, 33') zueinander senkrecht stehend angeordnet sind.
8. Piezoelektrischer Ultraschall wandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß genannter Masseschwerpυnkt des Gesamtsystems durch eine massereiche Grundplatte (6) in das Gebiet mehrerer zueinander beabstandeter, benachbart angeordneter piezoelektrischer Einzellamellen (1) verlegt ist und die piezoelektrischen Lamellen an ihren gegenüberhegenden Schmalseiten (22, 21) mit genannter Grundplatte (6) bzw. einem einstückigen dünnen Deckplättchen (30) verbunden sind.
9. Piezoelektrischer Ultraschallwandler gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Einzellamellen in ihrer Dicke (d) so dünn ausgeführt sind, wie es die mechanische Stabilität und/oder die elektrische Durchbruchspannung zuläßt und ihr gegenseitiger Abstand (a) in der Größenordnung des Zehnfachen genannter Dicke (d) festgelegt ist.
10. Piezoelektrischer Ultraschallwandler gemäß Anspruch 8 und/oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Einzellamellen (1) als parallel zueinander angeordnete piezoelektrische Biegeschwinger ausgebildet sind, die in bezug zu genanntem Deckplättchen (30) und genannter Grundplatte (6) einen Winkel (ß), mit ß < 90°, einschließen.
11. Piezoelektrischer Ultraschallwandler gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß den piezoelektrischen Lamellen (1) in einer Richtung zur Normalenrichtung (nj) der Lamellen und zur Normalenrichtung (n2) des Deckplättchens (30) senkrecht verlaufenden Richtung (n^) voneinander verschiedene Längen gegeben sind, deren
Bemessung insbesondere einer Sehnenlänge einer Sehnenschar in einer Ellipse folgt. 12. Piezoelektrischer Ultraschallwandler gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Einzellamellen einer in Richtung zur Normalenrichtung (n\) der Lamellen und zur Noπnalenrichtung (n2) des Deckplättchens (30) senkrecht verlaufenden Richtung (n3) zumindest teilweise als unterbrochene Lamellen (11 ,
12) unterschiedliche Länge ausgeführt sind.
13. Piezoelektrischer Ultraschallwandler gemäß einem der Ansprüche (1 bis 7) oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen
Lamellen (1) durch einen stranggepreßten piezokeramischen Hohlkörper (7) mit wabenförmig verteilten Hohlräumen (8), die mit einer elektrischen Innenkontaktierung versehen sind, gebildet sind, wobei Mittel vorgesehen sind, die aneinanderfolgende Waben (7) alternierend polarisieren.
14. Piezoelektrischer Ultraschallwandler gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Mittel zur unterschiedlichen Polarisation durch eine, mit genannten wabenförmigen Hohlräumen (8) folgende schachbrettartige Kontaktierungsbelegung (9) versehenen Grundplatte
(6) gebildet sind.
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