EP0154706A2 - Piezoelektrischer Luft-Ultraschallwandler mit Breitbandcharakteristik - Google Patents

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EP0154706A2
EP0154706A2 EP84115390A EP84115390A EP0154706A2 EP 0154706 A2 EP0154706 A2 EP 0154706A2 EP 84115390 A EP84115390 A EP 84115390A EP 84115390 A EP84115390 A EP 84115390A EP 0154706 A2 EP0154706 A2 EP 0154706A2
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EP
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transducer
lamellae
spaces
radiation
reception
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EP0154706B1 (de
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Peter Dipl.-Phys Kleinschmidt
Valentin Dipl.-Phys. Magori
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
    • G10K9/122—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric transducer as specified in the preamble of claim 1.
  • piezoelectric transducers As transmit transducers and / or receive transducers for air-ultrasound.
  • the ultrasound propagation medium air there are significant problems because all materials that are active for the electromechanical generation or mechanical-electrical conversion, e.g. Piezoceramic, quartz and the like, have an extremely different acoustic wave resistance compared to air, and thus the acoustic adaptation to air is extremely poor.
  • transducers with a particularly high vibration quality have been produced, which perform extraordinarily large vibration amplitudes and can therefore still transmit sufficient energy into the air-ultrasound field.
  • a film converter e.g. a condenser microphone. Due to the small mass of such membrane membranes, a good adaptation to the acoustic wave resistance of the air can be achieved, but such transducers are extremely sensitive to mechanical damage, so that the possibility of their industrial use is at least very limited.
  • An ultrasound transducer according to the present invention basic task already to a certain extent, but not yet optimal, is described in DE-OS 28 42 086. It is an electroacoustic transducer which has the features of the preamble of claim 1 of the present invention.
  • the piezoceramic lamellae of this transducer are arranged at relatively greater distances from one another in comparison to their lamellae thickness and their ends pointing in one direction are connected to a plate which serves as a radiating surface or receiving plate for ultrasound to be emitted or received.
  • this plate can be set into a phase oscillating motion (piston stroke movement), with parallel and / or series connection of individual or all lamellae being provided for the lamellae for electrical adaptation variation.
  • the object of the present invention is to improve a piezoelectric transducer such as that of DE-OS 28 42 086 in such a way that even greater mechanical robustness of the transducer is achieved for industrial use in particular and that technologically simplified manufacture is possible .
  • the basic idea of the present invention is to modify and construct a converter according to the principle of the above-mentioned DE-OS in such a way that the simplest possible manufacture, preferably sandwich technology, can be used and that in particular the special attachment of a radiation or receiver plate is unnecessary, specifically without any disadvantages or even deteriorations with regard to the acoustic Behavior.
  • a piezoelectric air-ultrasound transducer according to the invention which corresponds to this principle, the spaces between these lamellae made of active piezoceramic, which are considerable compared to the dimension of the lamella thickness, are filled with a piezoelectrically inactive material which ensures dimensional stability.
  • this filling is achieved in such a way that, in a sandwich layer structure, the foils or platelets of the filling material and the piezoceramic lamellas known per se are first layered on top of one another and are firmly connected to one another to form an integral body.
  • This connection is so tight that even a subsequent, shaping processing can be carried out, namely, for example, a preferred surface of this cuboid-shaped body is usually smoothed by grinding or other means.
  • a surface of the sandwich body. can namely serve directly as a radiation or receiving surface of the transducer.
  • this material must also satisfy the independent condition that the value of the internal mechanical damping of the material is so high that its mechanical quality value Q m is less than about 20.
  • polyurethane foam, silicone rubber, polyethylene, polystyrene foam and the like are recommended as materials for this dimensionally stable material.
  • polyethylene for example in sheet or plate form for a layer structure as mentioned above, is of great interest because of the thermoplastic property of the polyethylene.
  • Such a sandwich structure can easily be solidified into a single body by heating and possibly light pressure. In the cold state, the aforementioned radiation surface can even be prepared in a simple manner.
  • the ceramic lamellae are relatively thin compared to the spacings, that is to say comparatively to the thickness of the polyethylene foils or platelets to be used, there is a moisture-tight seal surrounding the lamellae on all sides, since the thin piezoceramic lamellae are readily embedded in the polyethylene can be.
  • the use of silicone rubber is favorable in other respects, since the material can be cast in a simple manner with this material.
  • Polyurethane or polystyrene foam can advantageously be bonded to the piezoceramic slats.
  • these foams are particularly advantageous for the reason that such a foam has high dimensional stability on the one hand, but on the other hand has a particularly low acoustic wave resistance that favors low mass.
  • Polyurethane foam or polystyrene foam can also be processed superficially to form a radiation or reception surface of the transducer body containing the piezoceramic lamellae.
  • cavities can also be provided in the material of these interstices (for example additional to the foam structure of the material), for example these platelets Have holes or at least depressions in their surface, which are ultimately internal cavities in the composite body.
  • An additional support can be provided for the radiating or receiving surface of the transducer body, in particular made of comparatively harder material, e.g. has greater bending stiffness.
  • a cross coupling that is higher than the internal cross coupling of the composite body of the transducer can be provided for the area of the radiation or reception surface of the body.
  • a converter according to the invention is not only to be regarded as a large number of individual converters connected in parallel, as is e.g. is the case with a crystal microphone according to Radio Mentor Vol. 5 (1950) pp. 236-238, in particular FIG. 2, or according to DE-OS 30 40 563.1.
  • These two converters mentioned consist of individual lamellae which are arranged as close as possible to one another or to one another.
  • the package consisting of closely spaced crystal plates has a large cross coupling which has a disadvantageous effect on the desired piezoelectric effectiveness.
  • For a force element according to the above DE-OS only a small distance between the slats is provided. In order to achieve the object in accordance with the task, there must be a distance between the slats that is substantially greater than the slat thickness.
  • Figures 1 and 2 show in two side views an embodiment of a converter according to the invention.
  • the three lamellae made of piezoceramic are designated by 2.
  • the individual lamellae 2 are at least 4 times larger (preferably 0.5 to 2.5 mm) apart from one another in comparison to their thickness (preferably 0.08 to 0.3 mm).
  • With 3 is on the existing between the lamellae 2 filling spaces.
  • bile material such as polyethylene.
  • lines 31 is indicated in Figure 1 that this polyethylene 3 was originally a respective plate, which were assembled together with the slats 2 in a sandwich construction and then thermoplastic hot glued together.
  • an adhesive connection is present in the finished transducer 1.
  • a potting compound for example with silicone rubber
  • the ceramic fins 2 are embedded in the material 3 on all sides, from the very beginning. Because of the thermoplastic behavior of the polyethylene, the lamellae 2 are embedded in the respective surface of a polyethylene plate 3.
  • FIG. 2 The side view of Figure 2 shows two ceramic lamellae 2 and 21 which are arranged side by side.
  • the second lamella 21 cannot be seen in FIG. 1, since it lies behind a respective lamella 2.
  • the slats 2 and 21 shown are each a single, continuous slat.
  • a sub as shown in Figure 2 Division leads in particular to the fact that in the direction of the mutually adjacent slats 2 and 21 (ie in the horizontal direction lying in the representation plane of FIG.
  • an additional support is designated.
  • Such an additional support can offer particular advantages if a foam is used as material 3.
  • Such an additional support 5 gives a denser surface.
  • this additional layer can even be advantageously implemented as an integral part of the foam material, i.e. the foam material is compacted on the surface in question.
  • Such an additional support or superficial compression of the material 3 may even be necessary in order to achieve an increase in the mechanical resistance of the surface of the transducer 1, which is to be used as a sound radiation and / or reception surface in later operation.
  • Arrows 6 indicate such sound radiation.
  • sound radiation 16 from the corresponding surface of the transducer 1 can also be provided. If sound radiation (or sound reception) as indicated by 16 is to be provided, it is usually advisable not to provide a division into lamellae 2 and 21 as shown in FIG.
  • FIG. 3 shows (compared to Figures 1 and 2) one Supervision, on an enlarged scale.
  • This FIG. 3 serves primarily to show a special electrode arrangement, shown on a single lamella 2.
  • 41 and 141 are, as can be seen, subdivided electrode assignments of one surface of the lamella 2.
  • 42, 142 and 242 are corresponding subdivided electrode assignments of the opposite surface of the lamella 2.
  • the electrode division in FIG. 3 serves to increase the electrical matching resistance or to achieve a higher electrical voltage, for example in reception mode.
  • the sequence of the relative polarization orientations in the lamella is indicated at 50. As can be seen, the individual regions given by the electrode division shown are electrically connected in series.
  • a converter according to the invention which has a plurality of such lamellae 2 (and possibly also lamellae 21)
  • different interconnections can be provided for the transmission mode and for the reception mode. For example, it may be beneficial to connect all slats electrically in parallel for transmission (relatively low excitation voltage is required) and to connect all, or at least a certain number, slats 2 in series (results in high electrical receive voltage).
  • Figure 4 shows an essentially merely schematic, perspective view of a converter according to the invention with lamellae 2 and the material filling the spaces.
  • rial 3 Only indicated in Figure 4 is the possibility that slats (see Figure 2) are divided into individual slats 2, 21, 121 (to reduce cross coupling in direction b). That area of the
  • Transducer 1 can be used for sound radiation and / or reception, which has a radiation direction indicated by 116.
  • the polyethylene used as material 3, for example, which surrounds the slats 2 (and 21 and 121) can, as shown in FIG. 4, be largely transparent.
  • 51 indicates a set of connecting lines which lead to the respective electrode assignment of the individual lamellae 2, 21, 121. The person skilled in the art can specify any other connection lines to be provided.

Abstract

Piezokeramischer Luft-Ultraschallwandler mit besser angepaßtem, verringertem Wellenwiderstand und großer Dämpfung zur Aussendung von nur kurzen Wellenzügen für Nahdistanzdetektion.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Wandler, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, piezoelektrische Wandler als Sendewandler und/oder Empfangswandler für Luft-Ultraschall zu verwenden. Hinsichtlich des Ultraschall-Ausbreitungsmediums Luft ergeben sich dabei wesentliche Probleme, weil alle für die elektromechanische Erzeugung bzw. mechanisch-elektrische Umwandlung aktiven Materialien, wie z.B. Piezokeramik, Quarz und dgl., einen vergleichsweise zu Luft extrem unterschiedlichen akustischen Wellenwiderstand haben, und somit die akustische Anpassung an Luft außerordentlich schlecht ist. Um dieses Problem zu beheben, hat man einerseits Wandler mit besonders hoher Schwinggüte erzeugt, die außerordentlich große Schwingungsamplituden ausführen und somit noch ausreichende Energie in das Luft-Ultraschallfeld übertragen können. Ein anderer beschrittener Weg ist der eines Folienwandlers,z.B. eines Kondensatormikrophons. Durch die geringe Masse derartiger Folienmembranen kann eine gute Anpassung an den akustischen Wellenwiderstand der Luft erreicht werden, jedoch sind solche Wandler außerordentlich empfindlich gegen mechanische Beschädigung, so daß die Möglichkeit ihres industriellen Einsatzes zumindest sehr eingeschränkt ist.
  • Ein Ultraschallwandler, der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe bereits zu einem gewissen, jedoch noch nicht optimalen Maße gerecht wird, ist in der DE-OS 28 42 086 beschrieben. Es handelt sich dort um einen elektroakustischen Wandler, der die Merkmale des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1 der vorliegenden Erfindung aufweist. Die piezokeramischen Lamellen dieses Wandlers sind in vergleichsweise zu ihrer Lamellendicke erheblich größeren Abständen voneinander angeordnet und ihre jeweils in die eine Richtung weisenden Enden sind mit einer Platte verbunden, die als Abstrahlfläche bzw. Empfangsplatte für auszusendenden bzw. für zu empfangenden Ultraschall dient. Mit Hilfe der anzuregenden piezokeramischen Lamellen dieses bekannten Wandlers kann diese Platte in konphase Schwingungsbewegung (Kolbenhubbewegung) versetzt werden, wobei im übrigen für die Lamellen zur elektrischen Anpassungsvariation Parallel-und/oder Reihenschaltung einzelner oder aller Lamellen vorgesehen ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen piezo-- elektrischen Wandler etwa nach der Art eines solchen der DE-OS 28 42 086 dahingehend zu verbessern, daß noch höhere mechanische Robustheit des Wandlers für insbesondere industrielle Anwendung erzielt ist und daß technologisch vereinfachte Herstellung möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird mit einem piezoelektrischen Wandler gelöst, der die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.
  • Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, einen Wandler nach dem Prinzip der obengenannten DE-OS so abzuändern und aufzubauen, daß eine möglichst einfache Herstellung, vorzugsweise Sandwich-Technologie anwendbar ist und daß insbesondere die spezielle Anbringung einer Abstrahl- bzw. Empfängerplatte sich erübrigt, und zwar ohne daß Nachteile oder gar Verschlechterungen hinsichtlich des akustischen Verhaltens in Kauf zu nehmen sind. Bei einem diesem Prinzip entsprechenden erfindungsgemäßen piezoelektrischen Luft-Ultraschallwandler sind die vergleichsweise zur Abmessung der Lamellendicke erheblichen Zwischenräume zwischen diesen Lamellen aus aktiver Piezokeramik mit einem piezoelektrisch inaktiven, Formstabilität gewährleistenden Material ausgefüllt. Insbesondere ist dieses Ausfüllen in der Weise erzielt, daß in einem Sandwich-Schichtaufbau zunächst jeweils miteinander abwechselnd die Folien bzw. Plättchen des Füllmaterials und die an sich bekanntermaßen verwendeten piezokeramischen Lamellen aufeinandergeschichtet und miteinander zu einem einstückigen Körper fest verbunden sind. Diese Verbindung ist so fest, daß sogar eine nachträgliche, formgebende Verarbeitung durchführbar ist, nämlich z.B. eine bevorzugte Fläche dieses im Regelfall quaderförmigen Körpers durch Schleifen oder andere Art eine Abtragung zu glätten. Eine (solche) Fläche des Sandwich-Körpers. kann nämlich direkt als Abstrahl- oder Empfangsfläche des Wandlers dienen.
  • Für das erwähnte formstabile, die Zwischenräume ausfüllende Material ist ein solches vorzusehen, dessen akustischer Wellenwiderstandswert (Zak =√E/9) um wenigstens etwa einen Faktor 8 kleiner ist als der betreffende akustische Wellenwiderstandswert des piezokeramischen Materials der Lamellen. Außerdem muß dieses Material des weiteren die davon unabhängige Bedingung erfüllen, daß der Wert der internen mechanischen Dämpfung des Materials so hoch ist, daß dessen mechanischer Gütewert Q m kleiner als etwa 20 ist.
  • Als für dieses formstabile Material in Frage kommende Stoffe sind insbesondere Polyurethanschaum, Silicongummi, Polyäthylen, Polystyrolschaum und dgl. zu empfehlen. Dabei gibt es für die Auswahl unter diesen Stoffen noch weitere für die Erfindung interessante Gesichtspunkte. Die Verwendung von Polyäthylen, z.B. in Folien- oder Plättchenform für einen wie oben erwähnten Schichtaufbau ist wegen der thermoplastischen Eigenschaft des Polyäthylens von großem Interesse. Ein solcher Sandwich-Aufbau kann durch Erwärmung und ggf. leichten Druck in einfacher Weise zu einem einzigen Körper verfestigt werden. Im kalten Zustand kann dann sogar in einfacher Weise die erwähnte Abstrahlfläche präpariert werden. Mit Rücksicht darauf, daß die Keramiklamellen relativ dünn vergleichsweise zu den Abständen, d.h. vergleichsweise zur Dicke der zu verwendenden Polyäthylenfolien bzw. -plättchen ist, ergibt sich ein die einzelnen Lamellen allseitig umschließender feuchtigkeitsdichter Abschluß, da die dünnen piezokeramischen Lamellen ohne weiteres in das Polyäthylen eingebettet werden können. Die Verwendung von Silicongummi ist in anderer Hinsicht günstig, da mit diesem Material ein Vergießen des Lamellenaufbaus in einfacher Weise durchzuführen ist. Polyurethan- bzw. Polystyrolschaum kann vorteilhaft durch Verkleben mit den piezokeramischen Lamellen verbunden werden. Diese Schäume sind für eine erfindungsgemäße Ausführungsform aus dem Grunde besonders vorteilhaft, weil ein solcher Schaum einerseits hohe Formstabilität besitzt, andererseits aber eine besonders niedrigen akustischen Wellenwiderstand begünstigende geringe Masse hat. Auch Polyurethanschaum bzw. Polystyrolschaum läßt sich oberflächlich gut zu einer Abstrahl- bzw. Empfangsfläche des die piezokeramischen Lamellen enthaltenden Wandlerkörpers bearbeiten.
  • Insbesondere dann, wenn ein Sandwich-Aufbau eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers unter Verwendung von Plättchen des die Zwischenräume ausfüllenden Materials durchgeführt wird, können auch (z.B. über den Schaumaufbau des Materials hinausgehend zusätzliche) Hohlräume im Material dieser Zwischenräume vorgesehen sein, z.B. können diese Plättchen Löcher oder wenigstens Vertiefungen in ihrer Oberfläche aufweisen, die im zusammengesetzten Gesamtkörper schließlich innere Hohlräume sind.
  • Für die Abstrahl- bzw. Empfangsfläche des Wandlerkörpers kann eine zusätzliche Auflage vorgesehen sein, insbesondere aus vergleichsweise härterem Material, das z.B. größere Biegesteifigkeit hat. Mit einer solchen Zusatzauflage kann für den Bereich der Abstrahl- bzw. Empfangsfläche des Körpers eine Querkopplung vorgesehen werden, die höher als die innere Querkopplung des Verbundkörpers des Wandlers ist.
  • Ein erfindungsgemäßer Wandler ist nicht lediglich als eine Vielzahl mechanisch parallel geschalteter Einzelwandler zu betrachten, wie dies z.B. bei einem Kristallmikrophon nach Radio Mentor Bd. 5 (1950) S. 236 - 238, insbesondere Figur 2, oder nach der DE-OS 30 40 563.1 der Fall ist. Diese beiden erwähnten Wandler bestehen aus einzelnen Lamellen, die möglichst dicht nahe beieinander bzw. aufeinander angeordnet sind. Insbesondere bei dem Kristallmikrophon nach Radio Mentor, Figur 2 besitzt nämlich das aus dicht aufeinanderliegenden Kristallplatten bestehende Paket eine große Querkopplung, die sich nachteilig auf die gewünschte piezoelektrische Effektivität auswirkt. Für ein Kraftelement nach der obengenannten DE-OS ist ein nur geringer Abstand zwischen den Lamellen vorgesehen. Bei der Erfindung muß, um das aufgabengemäße Ziel zu erreichen, ein vergleichsweise zur Lamellendicke wesentlich größerer Abstand der Lamellen voneinander vorhanden sein.
  • Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Detailbeschreibung hervor. Die Figuren 1 und 2 zeigen in zwei Seitenansichten ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wandlers. Mit 2 sind die drei dargestellten Lamellen aus Piezokeramik bezeichnet. Wie ersichtlich, haben die einzelnen Lamellen 2 vergleichsweise zu ihrer Dicke (vorzugsweise 0,08 bis 0,3 mm) wenigstens 4-fach größere Abstände (vorzugsweise 0,5 bis 2,5 mm) voneinander. Mit 3 ist auf das die zwischen den Lamellen 2 vorhandenen Zwischenräume ausfüllende formsta-. bile Material, z.B. Polyäthylen, bezeichnet. Mit den Strichen 31 ist in der Figur 1 angedeutet, daß dieses Polyäthylen 3 ursprünglich ein jeweiliges Plättchen war, die zusammen mit den Lamellen 2 in Sandwich-Bauweise zusammengesetzt und dann thermoplastisch miteinander heiß verklebt worden sind. An der Stelle der dargestellten Striche 31 ist beim fertigen Wandler 1 eine Klebverbindung vorhanden. Wird jedoch ein Verguß, z.B. mit Silicongummi, angewendet, sind die Keramiklamellen 2 allseitig, und zwar schon von Anfang an, in das Material 3 eingebettet. Aufgrund des thermoplastischen Verhaltens des Polyäthylens sind die Lamellen 2 in die jeweilige Oberfläche eines Polyäthylenplättchens 3 eingebettet.
  • Mit 4 sind Elektrodenbelegungen der Oberflächen der Lamellen 2 bezeichnet. Die zu diesen Elektrodenbelegungen 4 führenden Anschlußleitungen sind in den Figuren 1 und 2 weggelassen.
  • Die Seitenansicht der Figur 2 läßt zwei Keramiklamellen 2 und 21 erkennen, die nebeneinander angeordnet sind. Die zweite Lamelle 21 ist in der Figur 1 nicht zu erkennen, da sie hinter einer jeweiligen Lamelle 2 liegt. Je nach spezieller Verwendung eines erfindungsgemäßen Wandlers kann eine solche Anordnung mit jeweils zwei nebeneinanderliegenden Lamellen 2 und 21 von Vorteil sein. Für andere Fälle sind Ausführungsformen zu bevorzugen, bei denen die dargestellten Lamellen 2 und 21 eine jeweils einzige, durchgehende Lamelle ist. Eine wie in Figur 2 dargestellte Unterteilung führt insbesondere dazu, daß in Richtung der jeweils nebeneinanderstehenden Lamellen 2 und 21 (d.h. in waagerechter,in der Darstellungsebene der Figur 2 liegender Richtung) eine wesentlich geringere Querkopplung für den ganzen Wandler 1 auftritt, vergleichsweise zu dem Fall, daß die beiden dargestellten Lamellen 2 und 21 jeweils eine einzige durchgehende Lamelle ist. Diese Aufteilung führt somit zu einer Verringerung einer Querkopplung, wie sie durch die mit Abständen versehene Anordnung jeweils einzelner Lamellen 2 hinsichtlich der Richtung a in Figur 1 erreicht ist.
  • Mit 5 ist eine wahlweise vorzusehende Zusatzauflage bezeichnet. Eine solche Zusatzauflage kann insbesondere dann besondere Vorteile bieten, wenn als Material 3 ein Schaumstoff verwendet wird. Durch eine solche Zusatzauflage 5 erhält man eine dichtere Oberfläche. Bei einem Schaumstoff kann man sogar vorteilhafterweise diese Zusatzauflage als integralen Bestandteil des Schaummaterials realisieren, d.h. man verdichtet das Schaummaterial an der betreffenden Oberfläche. Eine solche Zusatzauflage bzw. oberflächliche Verdichtung des Materials 3 kann sogar notwendig sein, um eine Erhöhung der mechanischen Widerstandsfähigkeit der Fläche des Wandlers 1 zu erreichen, die als Schall-Abstrahl- und/oder -Empfangsfläche im späteren Betrieb verwendet werden soll. Mit den Pfeilen 6 ist auf eine derartige Schallabstrahlung hingewiesen. Es kann aber auch eine Schallabstrahlung 16 von der entsprechenden Fläche des Wandlers 1 vorgesehen sein. Soll eine wie mit 16 angedeutete Schallabstrahlung (oder Schallempfang) vorgesehen sein, empfiehlt es sich meistenteils, keine wie in Figur 2 dargestellte Aufteilung in Lamellen 2 und 21 vorzusehen.
  • Figur 3 zeigt (vergleichsweise zu den Figuren 1 und 2) eine Aufsicht, und zwar in vergrößertem Maßstab. Diese Figur 3 dient in erster Linie dazu, eine spezielle Elektrodenanordnung, und zwar dargestellt an einer einzigen Lamelle 2, zu zeigen. 41 und 141 sind wie ersichtlich unterteilte Elektrodenbelegungen der einen Oberfläche der Lamelle 2. 42, 142 und 242 sind entsprechende unterteilte Elektrodenbelegungen der gegenüberliegenden Oberfläche der Lamelle 2. In zur Darstellungsebene der Figur 3 senkrechter Richtung sind diese Elektrodenbelegungen 41 bis 242 im Regelfall streifenförmig. Die Elektrodenaufteilung der Figur 3 dient zur Vergrößerung des elektrischen Anpassungswiderstandes bzw. dazu, eine höhere elektrische Spannung, z.B. im Empfangsbetrieb, zu erreichen. Mit 50 ist auf die Folge der relativen Polarisationsausrichtungen in der Lamelle (in Richtung ihrer Dicke) hingewiesen. Wie ersichtlich sind die einzelnen durch die dargestellte Elektrodenaufteilung gegebenen Bereiche elektrisch hintereinandergeschaltet.
  • Für den Betrieb eines erfindungsgemäßen Wandlers, der eine Vielzahl derartiger Lamellen 2 (und ggf. auch Lamellen 21) besitzt, kann für den Sendebetrieb und für den Empfangsbetrieb unterschiedliche Zusammenschaltung vorgesehen sein. Zum Beispiel kann es günstig sein, für den Sendebetrieb alle Lamellen elektrisch parallel zu schalten (es wird relativ niedrige Anregungsspannung benötigt) und für den Empfang alle, oder wenigstens jeweils eine gewisse Anzahl, Lamellen 2 in Reihe zu schalten (ergibt hohe elektrische Empfangsspannung).
  • Figur.4 zeigt eine im wesentlichen lediglich schematische, perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wandlers mit Lamellen 2 und dem die Zwischenräume ausfüllenden Mate- . rial 3. Lediglich angedeutet ist in Figur 4 die Möglichkeit, daß Lamellen (siehe Figur 2) in einzelne Lamellen 2, 21, 121 (zur Verminderung einer Querkopplung in Richtung b) aufgeteilt sind. Es kann auch diejenige Fläche des
  • Wandlers 1 für Schallabstrahlung und/oder -empfang verwendet werden, die eine mit 116 angedeutete Abstrahlrichtung hat. Das als Material 3 beispielsweise verwendete Polyäthylen, das die Lamellen 2 (und 21 und 121) umgibt, kann, wie in Figur 4 dargstellt, weitgehend durchsichtig sein. Mit 51 ist auf einen Satz Anschlußleitungen, die zu der jeweiligen Elektrodenbelegung der einzelnen Lamellen 2, 21, 121 führen, hingewiesen. Übrige jeweils vorzusehende Anachlußleitungen kann der Fachmann nach jeweiliger Wahl angeben.

Claims (7)

1. Piezoelektrischer Luft-Ultraschallwandler mit keramischen Lamellen, die in Abständen voneinander, in Ebenen parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Abstände zwischen benachbarten Lamellen wesentlich größer als die Dickenabmessung der einzelnen Lamellen bemessen sind,
gekennzeichnet dadurch,
- daß die durch die Abstände zwischen benachbarten Lamellen (2, 21, 121) gebildeten Zwischenräume mit einem formstabilen Material gefüllt sind, das einen akustischen Wellenwiderstandswert (Zak =√E/9) besitzt, der um wenigstens etwa einen Faktor 8 kleiner als der des piezokeramischen Materials der Lamellen (2, 21, 121) ist und daß eine hohe interne mechanische Dämpfung 1/Qm größer als etwa 0,05 hat und
- daß das die Zwischenräume ausfüllende Material (3) wenigstens eine geschlossene Fläche des Wandlers (1) für Abstrahlung und/oder Empfang (6, 16, 116) ergibt.
2. Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das die Zwischenräume ausfüllende Material (3) wenigstens über jeweils eine Kante der einzelnen Lamellen (2, 21, 121) herüberreicht, so daß diese Kanten der Lamellen durch das Material (3) gegenüber der äußeren Umgebung abgedeckt sind.
3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß sich auf derjenigen Oberfläche des Wandlers (1), die für Abstrahlung und/oder Empfang (6, 16, 116) vorgesehen ist, eine Zusatzauflage (5) befindet.
4. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß das die Zwischenräume ausfüllende Material (3) im Bereich derjenigen Oberfläche des Wandlers (1), die für Abstrahlung und/oder Empfang (6, 16, 116) vorgesehen ist, so modifiziert ist, daß es vergleichsweise härter ist als das Material (3) in anderen Bereichen des Wandlers (1).
5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch,.daß das die Zwischenräume ausfüllende Material im Inneren Hohlräume hat.
6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß in einer jeweiligen Ebene der zueinander parallelen Anordnung der Lamellen jeweils mehrere Lamellen (2, 21, 121) jeweils stirnseitig benachbart angeordnet sind (Fig. 2, Fig. 4).
7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektrodenbelegung der wenigstens einen Seite einer jeweiligen Lamelle (2. in Fig. 3) in wenigstens zwei seperate Elektrodenbelegungen (41, 141; 42, 142, 242) unterteilt ist.
EP84115390A 1984-03-16 1984-12-13 Piezoelektrischer Luft-Ultraschallwandler mit Breitbandcharakteristik Expired - Lifetime EP0154706B1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19843409789 DE3409789A1 (de) 1984-03-16 1984-03-16 Piezoelektrischer luft-ultraschallwandler mit breitbandcharakteristik
DE3409789 1984-03-16

Publications (3)

Publication Number Publication Date
EP0154706A2 true EP0154706A2 (de) 1985-09-18
EP0154706A3 EP0154706A3 (en) 1987-04-01
EP0154706B1 EP0154706B1 (de) 1990-03-21

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Application Number Title Priority Date Filing Date
EP84115390A Expired - Lifetime EP0154706B1 (de) 1984-03-16 1984-12-13 Piezoelektrischer Luft-Ultraschallwandler mit Breitbandcharakteristik

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US (1) US4677337A (de)
EP (1) EP0154706B1 (de)
JP (1) JPS60236600A (de)
DE (3) DE3409789A1 (de)

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