DE2541492B2

DE2541492B2 - Ultrasonic transducer

Info

Publication number: DE2541492B2
Application number: DE19752541492
Authority: DE
Inventors: Valentin Dipl.-Phys. 8000 Muenchen Magori
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-09-17
Filing date: 1975-09-17
Publication date: 1980-02-21
Also published as: NL182028B; DE2541492A1; IT1072762B; NL182028C; FR2325266B1; BE846338A; FR2325266A1; GB1530347A; NL7610091A; DE2541492C3

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschal!-Wandler, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben istThe invention relates to an ultrasonic transducer, such as it is specified in the preamble of claim 1

Für ein Ultraschall-Echolot-System sind HltraschaH-wandler wünschenswert die einen Schallstrahl mit besonders geringem öffnungswinkel erzeugen. Dadurch können störende Reflexionen des Ultraschalls vermieden werden, so daß ein besonders hohes Auflösungsvermögen erreicht werden kann. Unter Auflösungsvermögen wird verstanden, daß zv.ei nahe beieinanderliegende Objekte unterschieden werden können.HltraschaH transducers are used for an ultrasonic echo sounder system desirable that generate a sound beam with a particularly small opening angle. Through this Disturbing reflections of the ultrasound can be avoided, so that a particularly high Resolving power can be achieved. The resolving power is understood to mean that zv.ei close adjacent objects can be distinguished.

Bei einem Ultraschallwandler sind die Abmessungen im wesentlichen durch die vorgesehene Betriebsfrequenz und das Material des Wandlers vorgegeben Mit den Abmessungen des Ultraschallwandlers ist auch die Größe der Schallabstrahlfläche des Wandlers bestimmt wobei durch die Größe der Schallabstrahlfläche im wesentlichen der Öffnungswinkel des erzeugten Schall-Strahls bestimmt ist. Bei einer Betriebsfrequenz von ca. kHz Und Blei-Zirkoriat-Titanat als Material für den Wandler ergibt sich ein Öffnungswinkel von etwa 10° bis 12°(1° -π/180).In the case of an ultrasonic transducer, the dimensions are essentially predetermined by the intended operating frequency and the material of the transducer . With an operating frequency of approx. KHz and lead zirconate titanate as the material for the transducer, an opening angle of approx. 10 ° to 12 ° (1 ° -π / 180) results.

Aus dem Stande der Technik, so z.B. aus der GM-Schrift 68 01 203, ist ein Ultraschallwandler bekannt, bei dem an dem eigentlichen aktiven Schwingerelement eine Platte mit geringer Dämpfung und einem Schallwellenwiderstand ρ angebracht ist der dem geometrischen Mittel aus den Schallwellenwiderständen des Ausbreiiungsmediums und oes Schwingerelements möglichst nabekommt Die Dicke der Platte wirdAn ultrasonic transducer is known from the prior art, for example from GM specification 68 01 203, in the case of the actual active transducer element a plate with low attenuation and an acoustic wave resistance ρ is attached to the dem Geometric mean from the acoustic wave resistance of the propagation medium and the transducer element The thickness of the plate will be as close as possible

auf den Wert d= ¹U - UltraschallweHenlänge λ bemessen. Es wird damit eine Anpassung der Wellenwiderstände angestrebt Als Materialien für diese Platte sind Kork und Silikonkautschuk erwähnt Es ist dort vorgeschlagen, zwischen dieser Platte mit der üickenabmessung λ/4 und dem aktiven Schwingerelement noch einen zusätzlichen Block mit einer Dickenabmessung λ/2 dazwischenzufügen, wobei bereits dieser Block einen gegenüber dem Schwingerelement größeren Durchmesser hat Andere Ausführungsformen eines U'traschallschwingers mit einer Schicht mit der Dickenabmessung λ/4 und dem Schallwellenwiderstand σ entsprechend dem geometrischen Mittelwert sind auch aus der britischen Patentschrift 3 52 040, der französischen Patentschrift 14 28 916 und aus den DDR-Patentschriften 67 836 und 56 124 bekanntmeasured to the value d = ¹ U - ultrasonic wave length λ. It is therefore desirable to adapt the characteristic impedances As materials for this plate cork and silicone rubber are mentioned, it is proposed there to λ between this plate with the üickenabmessung / 4 and the active oscillator element contains an additional block having a thickness dimension of λ / 2 therebetween Starting wherein already this block has a larger diameter than the transducer element the GDR patents 67 836 and 56 124 known

Ee ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen solchen Ultraschallwandler anzugeben, bei dem einerseits die bekannte Gesetzmäßigkeit der Anpassungsbedingung möglichst gut erfüllt ist und andererseits der Aufbau derart ist, daß eine Schallstrahlung mit besonders geringem öffnungswinkel erzeugt wird.Ee is an object of the present invention to provide a to specify such an ultrasonic transducer in which, on the one hand, the known regularity of the adaptation condition is fulfilled as well as possible and on the other hand the structure is such that a sound radiation with particularly small opening angle is generated.

Diese Aufgabe wird für einen wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Ultraschallwandler mit Hilfe der Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 gelöstThis object is for an ultrasonic transducer as specified in the preamble of claim 1 solved with the help of the features of the characterizing part of claim 1

Bei einem wie erfindungsgemäßen Ultraschallwandier ist infolge des Beschwerungsringes, der an dem über den Rand des Piezokörpers wesentlich überstehenden Bereich der Schaumstoffplatte angebracht ist, ein solches Schwingverhalten erreicht, bei dem gleichphasi-■ ge Schwingung der Schaumstoffplatte vorliegtWith an ultrasonic wand like the one according to the invention is due to the weighting ring, which protrudes significantly over the edge of the piezo body Area of the foam board is attached, such a vibration behavior is achieved in the in-phase ■ ge vibration of the foam board is present

Im vorliegenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels, wie es in den Figuren dargestellt ist erläutertIn the present case, the invention is based on an exemplary embodiment as shown in the figures is explained

Dabei zeigt die F i g. 1 eine Draufsicht die F i g. 2 ein Schnittbild entlang der Schnittlinie U-Il, wie sie in der F i g. 1 eingezeichnet istThe FIG. 1 is a plan view of FIG. 2 shows a sectional view along the section line U-II, as shown in FIG F i g. 1 is shown

Der Ultraschallschwinger besitzt einen kreisförmigen Piezokörper 1, der an seinen beiden Stirnflächen jeweils eine Metallelektrode 10, i; besitzt Diese können beispielsweise durch Einbrennversilberung hergestellt sein. An diesen Elektroden sind Anschlußlitzen eingelötet, über diese Anschlußlitzen werden die Elektroden mit einer Wechselspannung versorgt. Dadurch wird der Keramikkörper vorzugsweise zu Radialschwingungen ve» anlaßt Auf einer Stirnfläche des Keramikkörpers ist eine Schaumstoffschicht 2 aufgeklebt, die als λ/4-Schicht ausgebildet ist Das bedeutet, daß diese Schicht eine Dicke von λ/4 hat, wobei λ die Wellenlänge des mittels des Keramikkörpers erzeugten Ultraschalls in dem ilrhaiimcfnff icl The ultrasonic oscillator has a circular piezo body 1, each of which has a metal electrode 10, i; These can be produced, for example, by burn-in silver plating. Connecting strands are soldered to these electrodes, and the electrodes are supplied with an alternating voltage via these connecting strands. This means that the ceramic body is preferably caused to vibrate radially. A foam layer 2 is glued to one end face of the ceramic body and is designed as a λ / 4 layer. This means that this layer has a thickness of λ / 4, where λ is the wavelength of the of the ceramic body generated ultrasound in the ilrhaiimcfnff icl

Die λ/4-Schicht besteh! aus einem Material, dessen akustischer Schailwellenwiderstand ein Maß besitzt, welches zwischen der Größe des Schallwellenwider-Standes des Piezokörpers und der Größe des Schallwellen Widerstandes des Mediums, in dem sich der Schall ausbreiten soll, liegt Dieses Medium ist im allgemeinen Luft oder Wasser.
Im Idealfall, d. h. wenn der Schallwandler nur Schall einer einzigen Frequenz erzeugt, und wenn die Schallabstrahlfläche sehr groß gegenüber der Wellenlänge ist, hat die Λ/4-Schicht einen Wellenwiderstand von QsCs=(qlClqkck/¹²· Dabei bezeichnet ρ die DichteThe λ / 4-layer consists! Made of a material whose acoustic wave resistance is between the size of the acoustic wave resistance of the piezo body and the size of the acoustic wave resistance of the medium in which the sound is to propagate. This medium is generally air or water.
In the ideal case, i.e. if the sound transducer only generates sound of a single frequency, and if the sound radiation area is very large compared to the wavelength, the Λ / 4 layer has a wave resistance of QsCs = (qlClqkck / ¹² · where ρ denotes the density

eines Mediums, c die Schallgeschwindigkeit in einem Medium, der Index s bezeichnet die A/4· Schicht, der Index L das Medium, in dem sich der Schall ausbreiten soll, d. h. z. B. Luft oder Wasser, der Index # bezeichnet den Keramikkörpei. Allgemein bezeichnet qc den akustischen Schallwellenwiderstand eines Stoffes.of a medium, c is the speed of sound in a medium, the index s denotes the A / 4 · layer, the index L the medium in which the sound is to propagate, ie for example air or water, the index # denotes the ceramic body. In general, qc denotes the acoustic wave resistance of a material.

Ist Luft das Ausbreitungsmediuni für den erzeugten Schall, so sollte die λ/4-Schicht bei dem dargestellten Ultraschallwand; ;r einen akustischen Schallwellenwiderstand besitzen, der zwischen den Werten 5 - IC g/ cm² · s und 5 - 10* g/cm² - s liegtIf air is the medium of propagation for the generated sound, then the λ / 4-layer in the ultrasonic wall shown should; ; r have an acoustic wave resistance between the values 5 - IC g / cm ² · s and 5 - 10 * g / cm ² - s

Die y/4-Schieht besitzt bei dem erfnukügsgemäfien Ultiaschallwandler wesentlich größere Abmessungen als der Keramikkörper. Der überstehende Bes -^- der λ/4-Schicht ist auf der Seite des Ketsnixköi_m- rs mit einem Beschwerungsring 3 verbunden. Dies«— ~ ischwerungsring soll im Vergleich zur λΙΑ-ϊ-χ*-·'.!: «:in großes Gewicht und eine große Fläche -üben. Er kann beispielsweise aus Aluminium bestehen. Dieser Beschwerungsring umschließt koii^^trisch den Keramikkörper ohne diesen zu berühren.In the case of the ultrasonic transducer according to the invention, the y / 4 layer has significantly larger dimensions than the ceramic body. The protruding Bes - ^ - of the λ / 4 layer is connected to a weighting ring _{3 on the side of the Ketsnixköi m} - rs. Compared to the λΙΑ-ϊ-χ * - · ' . It can for example consist of aluminum. This weighting ring surrounds the ceramic body koii ^^ trisch without touching it.

Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler arbeitet in der folgenden Weise: Der Piezokeramikkörper wird elektrisch zu Ultraschallschwingungen angeregt Der Schall wird nahezu nur auf der Seite der λ/4-Schicht abgestrahlt, da auf dieser Seite des Keramikkörpers aufgrund der λ/4-Schicht nahezu keine Schallreflexionen beim Durchgang des Ultraschalls vom Keramikkörper in die λ/4-Schicht und v/eiter in das Schallausbreitungsmedium entstehen. Durch den Beschwerungsring wird erreicht daß die Grenzflächen zwischen diesem Ring und der Λ/4-Schicht eine Knotenfläche darstellt d. h. diese Grenzfläche ist beim Ultraschallbetrieb des Ultraschallwandlers nahezu in Ruhe. Dadurch wird erreicht, daß die freie Stirnfläche der y/4-Schicht in ihrer vollen Größe nahezu gleichphasig schwingt, d. h. alle Punkte der freien Fläche bewegen sich relativ zum Piezokeramikkörper gleichzeitig zur einen oder zur entgegengesetzten Richtung. Damit wird erreicht, daß der abgestrahlte Schallstrahl einen sehr kleinen öffnungswinkel aufweist, da angenähert eine räumlich durch die Größe der freien Oberfläche der y/4-Schicht begrenzte ebene Welle ei-zeugt wird.The ultrasonic transducer according to the invention works in the following way: The piezoceramic body is electrically excited to ultrasonic vibrations The sound is almost only on the side of the λ / 4-layer radiated, as there are almost no sound reflections on this side of the ceramic body due to the λ / 4 layer when the ultrasound passes from the ceramic body into the λ / 4 layer and v / pus into the sound propagation medium develop. By the weighting ring is achieved that the interfaces between this Ring and the Λ / 4-layer represents a nodal surface d. H. this interface is during the ultrasonic operation of the Ultrasonic transducer almost at rest. This ensures that the free end face of the y / 4 layer in its full size oscillates almost in phase, d. H. all points of the free area move relative to the Piezoceramic body at the same time to one or the opposite direction. This achieves that the emitted sound beam has a very small opening angle, since it is approximately a spatial one plane wave limited by the size of the free surface of the y / 4 layer is generated.

Aufgrund der beschriebenen Wirkungsweise des Uiiraschaiiwandiers ist es ersichtlich, daß der Beschwerungsring auch Teil eines Gehäuses sein kann, welches der Ultraschall^ andler eingebaut istDue to the described mode of action of the Uiiraschaiiwandiers, it can be seen that the weighting ring can also be part of a housing in which the ultrasonic transducer is built-in

in jedem Fall eignet sich der Beschwerungsring dazu, den Wandler in vorteilhafter Weise an einer Halterung zu befestigen.In any case, the weight ring is suitable for to attach the converter in an advantageous manner to a bracket.

Durch den Bsschwerungsrit.g '.vird also erreicht daß eine große Fläche, deren Abmessungen wesentlich größer sind, als die Stirnfläche des Keramikkörpers, zu gleichphasigen Schwingungen angeregt wird. Ohne den Beschwerungsring führt der Bereich der λ/4-Schicht, derBy means of the weighting criterion g '. It is thus achieved that a large area, the dimensions of which are much larger than the end face of the ceramic body in-phase vibrations is excited. Without the weighting ring, the area of the λ / 4-layer, the

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unkontrollierte Schwingungen aus, die sich gegenseitig auslöschen, >=o daß eine Schallabstrahlung prakiisch nur in dem Bereich der λ/4-Schicht erfolgt der mit dem Keramikkörper verbunden ist Da dieser Bereich eine kleine Flächenausdehnung besitzt, ähnelt der erzeugte Schallstrahl mehr einer räumlich begrenzten Kugelwel-Ie, d. h, der öffnungswinkel ist verhältnismäßig groß.Uncontrolled vibrations which cancel each other,> = o that a sound radiation prakiisch only in the region of λ / 4 layer is connected to the ceramic body, since this area has a small surface area, the sound beam generated more resembles a localized Kugelwel -Ie, d. h, the opening angle is relatively large.

bei einem Ausführungsbeispiel des Ultraschallwandlers, welches für eine Betriebsfrequenz von ca. 40 kHz aufgelegt war, hauen die Elemente des Schallwandiers die folgenden Abmessungen: Der Keramikkörper aus Blei-Zirkonat-Titanat hatte eine Dicke von ca. 43 mm und einen Durchmesser von 52,5 mm. Der Beschwerungsring bestand aus Aluminium und hatte eine Dicke von 8 mm, einen Außendurchraesser von 100 mm und einen Innendurchmesser von 56 mm. Die λ/4-Schicht hstte einen Durchmesser von ebenfalls 100 mm und eine Dicke von 16 mm.in one embodiment of the ultrasonic transducer, which was applied for an operating frequency of approx. 40 kHz, hit the elements of the sound wall the following dimensions: The ceramic body made of lead-zirconate-titanate had a thickness of approx. 43 mm and a diameter of 52.5 mm. The weight ring was made of aluminum and had a thickness of 8 mm, an outer diameter of 100 mm and an inner diameter of 56 mm. The λ / 4 layer would have a diameter of also 100 mm and one Thickness of 16 mm.

Die λ/4-Schicht kann in der folgenden Weise hergestellt werden: Ein Polystyrollack oder ein Epoxidlack wird mit Hohlkugeln aus SiliziumC^ id, die einen Durchmesser zwischen den Werten 30 μπι urd 125 μπι und eine Wandstärke von 2 μπι aufweisen, vermischt Derartige Hohlkugeln sind unter dem Namen Eccospheres S] der Fa. Emmerson & Cumming bekannt. Ein aus vier Ge^ichtsteilen Benzol und einem Gewichtsteil Polystyrol bzw. Epoxid bestehender Lack wird mit zwei Gewichtsteilen dieser Hohlkugeln verrührt Dabei wird darauf geachtet daß möglichst keine Luftblasen entstehen. Anschließend wird die entstandene breiige M&sse auf dem Boden eines Gefäßes zum Trocknen vergossen.The λ / 4-layer can be produced in the following way: A polystyrene lacquer or an epoxy lacquer is mixed with hollow spheres made of silicon C ^ id, which have a diameter between the values 30 μm and 125 μm and a wall thickness of 2 μm. Such hollow spheres are known under the name Eccospheres S] from Emmerson & Cumming. A lacquer consisting of four parts by weight of benzene and one part by weight of polystyrene or epoxy is mixed with two parts by weight of these hollow spheres. Care is taken to avoid the formation of air bubbles. The resulting pulpy must is then poured to dry on the bottom of a vessel.

Nach einer Trockenzeit von 2 Tagen erhält man eine Schaumstoffplatte mit einer Dichte von ca. 0,16 g · cm-³. Diese Platte gibt beim Anschlagen mit einem harten Gegenstand einen hellen, fast metallischen Klang von sich. Dieser Schaumstoff besitzt einen akustischen Schallwellenwiderstand von ca. 2,1 ■ 10*g/ s ■ cm². Die getrocknete Schaumstoffplatte wird auf d;■? gewünschte Maß zugeschnitten und an ihren Oberflächen ,,langeschliffen.After a drying time of 2 days, a foam sheet with a density of approx. 0.16 g · cm ^{-3 is obtained} . This plate emits a bright, almost metallic sound when struck with a hard object. This foam has an acoustic wave resistance of approx. 2.1 · 10 * g / s · cm ² . The dried foam board is placed on d; ■? cut to the desired size and long-ground on their surfaces.

Die F i g. 3 zeigt ein Beispiel für ein Richtdiagramm eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers. Aufgetragen ist der Schalldruck in Polarkoordina;en in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel, d. h. dem Winket den die jeweiligen Schallrichtung mit einer Senkrechten auf der Schallabstrahlfläche bildetThe F i g. 3 shows an example of a directional diagram of an ultrasonic transducer according to the invention. Applied is the sound pressure in polar coordinates as a function of the radiation angle, i. H. the wink which the respective direction of sound forms with a perpendicular on the sound-emitting surface

Die Position 1000 bezeichnet den Ultraschallwandier. Man erkennt daß praktisch nur zu einer Seite des Wandlers Schall abgestrahlt wird, dementsprechend ist die Scha'lkeule JOOi wesentlich größer als die Schallkeule 1002, dabei ist die Länge einer Verbindung 1003 zwischen einem Punkt auf dem Schallkeulenrand und dem Wandler 1000 ein Maß für den Schalldruck in dieser Ausbreitungsrchtung. Der öffnungswinkel der Sunaiikeuie beirägi ca. 5⁼.The position 1000 denotes the ultrasonic wandier. It can be seen that practically only sound is emitted to one side of the transducer, accordingly the sound lobe JOOi is significantly larger than the sound lobe 1002, while the length of a connection 1003 between a point on the edge of the sound lobe and the transducer 1000 is a measure of the sound pressure in this direction of propagation. The opening angle of the Sunaiikeuie beirägi approx. 5 ⁼ .

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Ultrasonic transducer with a piezoelectric body that is to be excited piezoelectrically to generate ultrasonic vibrations and with a layer applied to one end face of the piezoelectric body with a thickness dimension of Λ / 4 of the sound wave and made of a material with a magnitude of the acoustic wave resistance σ that is between the The value of the acoustic wave resistance of the material of the Pfezo body and that of the medium into which the ultrasound is to be emitted is, characterized in that this material of the layer is a foam sheet (2) which, compared to the surface dimension of the piezo body (1), has a significantly larger surface dimension (F j g. 1 and 2) with over the edge of the piezo body (1) protruding area, and that a weighting % (3) is attached to the protruding area of the foam plate (2) on the side of the piezo body (i) Compared to the foam sheet (2) has such a large weight that the interface between the piezo body (1) and the Weighting ring (3) on the one hand and the foam plate (2) on the other hand is a nodal surface of the vibration of the entire ultrasonic transducer

2. Ultrasonic transducer according to claim 1, characterized characterized in that the piezo body (1) a The ceramic body is the one with two electrodes (10, 11) for connection to an alternating voltage source is provided

3. Ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that the Beschwe. Cngsring (3) made of aluminum and that the layer (2) with the thickness dimension λ / 4 consists of a silicon foam with a sound wave resistance between 5 · 10 ³ and 5 · 10 * g / cm ² · s