DE3732410A1 - Ultraschallwandler mit astigmatischer sende-/empfangscharakteristik - Google Patents
Ultraschallwandler mit astigmatischer sende-/empfangscharakteristikInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-
Biegewandler, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 an
gegeben ist.
Aus der EP-B-00 75 302 ist ein Sensor für die Durchführung
einer Distanzmessung nach dem Ultraschall-Echoprinzip bekannt.
Dieser Sensor soll der Ermittlung und Anzeige von Annäherungs
abständen zwischen einem Fahrzeug und Hindernissen im Nahbe
reich dienen. Es handelt sich dabei um einen Topfwandler mit
darin angeordnetem piezokeramischem Schwinger. Auf der Innen
seite der Membran dieses Topfwandlers ist an zwei horizon
talen, gegenüberliegenden Kreisabschnitten Dämpfungsmaterial
zur Verhinderung einer energiereichen Ultraschallabgabe oder
Signalabgabe vorgesehen. Das Dämpfungsmaterial ist z.B. Weich
gummi. Für die oben angegebene Anwendung ist vorgesehen, den
Topfwandler in einem Hornstrahler anzuordnen.
Die Membran des Topfwandlers ist der Topfboden desselben. Auf
grund des asymmetrisch zur Normalen der Membran bzw. des Topf
bodens verteilt angebrachten Dämpfungsmaterials hat dieser
Wandler eine entsprechend asymmetrische Sende- und Empfangs
charakteristik bzw. Sende- und Empfangskeule. Für diesen
Topfwandler kann man sich eine Verbindungslinie zwischen dem
asymmetrisch im Inneren des Topfwandlers angebrachten Anteilen
des Dämpfungsmaterials denken. Diese Verbindungslinie verläuft
senkrecht zur Flächennormalen der Membran (Topfboden). Diese
Verbindungslinie und die erwähnte Flächennormale bilden eine
Ebene. Die Schallausbreitung bzw. die Schall-Empfangscharak
teristik in dieser Ebene ist im wesentlichen eine einzige
Strahlungskeule mit der erwähnten Normalen als Mittellinie.
In der zu dieser genannten Ebene senkrechten Ebene weist die
Strahlungscharakteristik mehrere Strahlungskeulen auf, von
denen die mittlere Strahlungskeule ähnlich der voranstehend
angegebenen Strahlungskeule die Flächennormale der Membran als
Mittellinie hat. In dieser senkrechten Ebene treten neben
dieser Mittelkeule auf jeder Seite je eine weitere Strahlungs
keule nach Art von Nebenmaxima auf. Dabei ist aber die Größe
eines solchen Nebenmaximums im wesentlichen gleich groß wie
die mittlere Strahlungskeule.
Ein solcher Topfwandler hat also im Prinzip in der einen Ebene
(nämlich der oben erwähnten senkrechten Ebene) ein breites
Strahlungsfeld für Aussendung und/oder Empfang. In der dazu
senkrechten Ebene hat dieser Wandler eine relativ schmale
Charakteristik, so daß sich insgesamt eine astigmatische
Schallcharakteristik ergibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Aufbau für
einen Wandler mit einer möglichst verbesserten astigmatischen
Strahlungscharakteristik anzugeben, der einfacher und zuver
lässig reproduzierbar herzustellen und der frei von Alterung
ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Ultraschall-Biegewandler mit den
Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst und weitere Ausge
staltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den
Unteransprüchen hervor.
Eine wie bekannte Verwendung von Dämpfungsmaterial hat den
Nachteil, daß sich in der Großserie erhebliche Streuungen der
charakteristischen Werte solcher Wandler ergeben und/oder
keine ausreichende Alterungsbeständigkeit zu erreichen ist.
Die Erfindung beruht daher auf dem Gedanken, bereits dem
eigentlichen Topfwandler solche charakteristischen Eigen
schaften zu geben, die stets reproduzierbare und/oder zuver
lässig eingehaltene vorgegebene charakteristische Werte ge
währleisten.
Für die Erfindung ist wiederum von einem Verbund zwischen einem
Piezoelement und einer Platte, z.B. eines topfförmigen, nicht
piezoelektrischen Körpers, ausgegangen worden. Erfindungsgemäß
ist die Membran zur Erzielung der Anisotropie der Schallabstrah
lung so ausgebildet, daß sie anisotrope elastische Eigenschaften
in zueinander senkrechten in der Ebene der Membran liegenden
(Haupt-)Richtungen besitzt. Entsprechendes Übergangsverhalten
liegt bei dieser Membran für die Richtungen zwischen diesen
beiden Hauptebenen vor.
Erfindungsgemäß sind diese anisotropen elastischen Eigenschaften
dadurch erzielt, daß die Werte der Schallgeschwindigkeit im
Material dieser Membran in diesen beiden Hauptrichtungen wesent
lich voneinander verschieden sind. Dabei kann der Topfwandler
nach wie vor die technisch einfach herzustellende runde Form
haben. Diese unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten sind bei
einem erfindungsgemäßen Topfwandler durch mechanische Veränderun
gen in der Oberfläche der Membran derselben herbeigeführt. Zum
Beispiel ist die Membran durch Ritzen, Prägen, Sägen oder Fräsen
von Nuten und dergleichen in die Oberfläche der Membran ver
ändert, wobei die Richtung dieser Bearbeitungen jeweils parallel
zueinander und parallel zu der einen Hauptrichtung ist. Durch
jeweilige Wahl der Anzahl des Abstandes und/oder der Breite der
in der Oberfläche der Membran erzeugten Ritzen, Rillen und
dgl., können in weiten Grenzen unterschiedliche Verhältniswerte
der Anisotropie erreicht werden. Eine einfache Lösung ist, diese
Rillen, Ritzen und dgl. auf derjenigen Seite der Wandlermembran
anzubringen, die die Außenseite des Topfwandlers ist. Die Rillen,
Ritzen und dgl. können aber auch auf der Innenseite des Topf
wandlers auf der Membran aufgebracht sein. Es kann sogar der
piezoelektrische Keramikanteil des Topfwandlers mit derartigen
Rillen, Ritzen und dgl. versehen sein.
Außer der einfachen runden Form des Topfwandlers können auch
quadratische Formen desselben vorgesehen sein. Auch rechteckige
und elliptische Formen können sinnvoll sein. Im Falle eines
quadratischen Wandlers wird durch Anregungen von mehr als einem
Schwingungsmode Breitbandigkeit erzielt. Elliptische und recht
eckige Ausführung ermöglichen durch Anpassung der Stützstellen an
die Knotenlinien der Membran einen effizienten Monomodenbetrieb.
In jeweiligen Anwendungsfällen ist es von Vorteil, an sich
bekannte Maßnahmen zur Apodisierung der Membranschnelle und zur
zusätzlichen Dämpfung der Wandlergüte mit der Erfindung zu
kombinieren. Zur Dämpfung können zusätzlich Dämpfungsmaterialien
verwendet werden, ohne daß das ein Widerspruch zu den obigen Aus
führungen zum Stand der Technik ist. Im Falle einer solchen
Wandlerdämpfung wirken sich Materialveränderungen des Dämpfungs
materials weit weniger gravierend und insbesondere praktisch
gar nicht auf die astigmatische Strahlungs- bzw. Empfangseigen
schaft aus.
Die Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf die Membran eines erfindungs
gemäßen Topfwandlers, der eine astigmatische Schallkeule für
Senden und Empfang hat. Die Membran des Wandlers 1 ist mit 2
bezeichnet. Diese Membran besteht aus einer, z.B. einen Topf
boden bildenden, Platte 11, aus piezoelektrisch inaktivem
Material, vorzugsweise aus Metall, und aus einem daran be
festigten Plättchen 10 aus Piezomaterial, wie z.B. Piezokeramik.
Mit 3 sind Rillen bzw. Ritzen (als eine der diesbezüglichen
Ausgestaltungen) bezeichnet, die sich in der Außenoberfläche der
Membran 2 des Topfwandlers 1 befinden. Diese Rillen oder Ritzen 3
bewirken, daß die Membran 2 und damit auch der Topfwandler in der
einen Hauptrichtung 5 erheblich geringere Steifigkeit bzw.
niedrigere Schallgeschwindigkeit hat, als dies für die dazu
senkrechte Hauptrichtung 4 gilt. Mit N ist die Normalenrichtung
der Membran 2 bezeichnet, die auch die Mittelachse der
Schallkeule ist.
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Wandlers 1, und zwar diese
Ansicht im Schnitt. Mit 7 ist der Rand dieses Topfwandlers be
zeichnet. Deutlich sind die in der Oberfläche der Membran 2
z.B. eingeprägten, eingesägten oder eingefrästen Rillen bzw.
Ritzen 3 zu erkennen. Die auf der Innenseite des Topfwandlers 1
auf der Oberfläche der Membran 2 angebrachte, z.B. aufgeklebte,
Scheibe 10 aus polarisierter Piezokeramik, z.B. einem Blei
zirkonat-Titanat, ist der piezoelektrische Schwinger. Mit 14 ist
eine Elektrode und mit 12 ist Klebstoff bezeichnet.
Fig. 3 zeigt ein der Fig. 2 entsprechendes Bild mit auf der
Innenseite des Topfwandlers 101 in der Oberfläche der Membran 2
angebrachten Rillen bzw. Ritzen 13. Diese Rillen bzw. Ritzen 13
können anstelle der Rillen bzw. Ritzen 3 oder zusammen mit
solchen Rillen bzw. Ritzen 3 vorgesehen sein. Auf jeden Fall sind
Rillen bzw. Ritzen 3 und 13 wenigstens im wesentlichen parallel
ausgerichtet. Mit 110 ist die zur Membran 2 gehörige Scheibe aus
Piezokeramik bezeichnet. Die zugehörige Elektrode ist nicht
dargestellt.
Die Rillen, Ritzen 3, 13 können gleichmäßig äquidistant über die
Oberfläche verteilt sein. Sie können vorzugsweise symmetrisch
zur (zur Richtung 4 parallelen) Mittellinie, über die Richtung 5
verteilt angeordnet sein, wie dies die Fig. 1 zeigt. Sinn
gemäß kann diese Verteilung auch ungleichmäßig dicht sein, wie
aus Fig. 1 zu entnehmen.
Diese Rillen bzw. Ritzen 3, 13 reichen vorzugsweise von Rand zu
Rand der Platte 11 und/oder des Plättchens 10. Sie können aber
auch in einem Abstand von einem solchen Rand beginnen oder enden.
Auch können sie in ihrer Längsrichtung Unterbrechungen aufweisen.
Bei einem erfindungsgemäßen Wandler ist die Kopplung der
Schwingungsmoden der beiden Richtungen 4 und 5 so groß, daß für
den runden Topfwandler im wesentlichen ein Modenspektrum zu
beobachten ist, daß eine Grundfrequenz und dazu paarweise auf
tretende Oberwellen hat. Diese Oberwellen sind bei einem er
findungsgemäßen Wandler deutlich voneinander unterscheidbar. Man
kann einen erfindungsgemäßen Wandler zuverlässig auf einer der
paarweisen Oberwellen betreiben, ohne daß Gefahr besteht, der
Wandler könnte in die Schwingung der anderen Oberwelle über
springen.
Dieses vorteilhafte Verhalten erweitert die Anwendungsmöglich
keiten eines erfindungsgemäßen Wandlers.
Fig. 4 zeigt die prinzipielle Verteilung die Schallkeule in der
Mittelebene, die senkrecht auf der Darstellungsebene der Fig. 1
und parallel zur Richtung 4 ist. Die Fig. 5 zeigt die Schall
keule in der zur Zeichenebene und zur Richtung 4 senkrechten
Mittelebene. Deutlich ist zu erkennen, daß die Strahlungskeule
der Fig. 4 wesentlich breiter ist als diejenige der Fig. 5,
d.h. der Wandler nach den Fig. 1, 2 und 3 in einer die
Richtung 4 enthaltenden Ebene ein breites Feld erfaßt, wohingegen
in dazu senkrechter Richtung der Wandler eine so schmale
Keule hat, daß gegenüber seiner Achsenrichtung weiter entfernte
Orte von der astigmatischen Strahlungskeule nicht mehr erfaßt
werden.
Ein Wandler der erfindungsgemäßen Art ist insbesondere als
Detektionswandler für Land und Wasserfahrzeuge geeignet, bei
denen parallel zur Fahrebene breite "Ausleuchtung" erwünscht ist,
dagegen aber in die Höhe möglichst wenig Schall abgestrahlt (und
als Echo zurückerhalten) werden soll. Genau dasjenige gilt für
die Empfangscharakteristik eines solchen erfindungsgemäßen
Wandlers. Ein solcher Wandler kann gleichermaßen als Sender und
Empfänger benutzt werden. Ein weiterer Vorteil eines erfindungs
gemäßen Wandlers ist, daß durch die Wahl, die Verteilung und die
Bemessung der Rillen bzw. Ritzen 3 in der Oberfläche der Membran
2 eine relativ weitgehende Überdeckung des Hauptmaximums der Ab
strahlung (und Empfangsempfindlichkeit) mit den zugehörigen
Nebenzipfeln zu erzielen ist. Das bedeutet, daß für einen
erfindungsgemäßen Wandler blinde Richtungen innerhalb der Ge
samtstrahlkeule minimiert werden können, in deren Richtung der
Wandler ein sehr schmales Hindernis, z.B. einen Laternenpfosten,
nicht detektieren könnte.
Eine bevorzugte Anwendung eines erfindungsgemäßen Wandlers ist
die als Rückfahrhilfe insbesondere für schwere Fahrzeuge mit
Sichtbehinderung nach rückwärts oder für Fahrzeuge (Bagger und
dgl.) die häufig hin- und herrangieren.
Es hat sich gezeigt, daß für jeweilige Anwendungsfälle speziell
bevorzugte Ausführungsformen und/oder Formen sowie Bemessungen
ausgewählt werden können. Bevorzugt ist die Realisierung eines
erfindungsgemäßen Biegewandlers als Topfwandler, wie dies im
übrigen auch im Stand der Technik vorgesehen ist. Die Membran und
der diese Membran zu einem Topf ergänzende Teil sind vorzugsweise
einstückig miteinander verbunden.
Die Membran bzw. gegebenenfalls auch der Topf werden bevorzugt
kreisrunde Form haben. Es kann auch rechteckige oder bevorzugt
ovale Form vorgesehen sein, nämlich je nachdem welches
Schwingungsverhalten der Membran bevorzugt ist. Die ovale Form
kann eine elliptische Form sein. Sie kann aber auch die Form
einer altägyptischen Kartusche, d.h. eines in einer Richtung in
die Länge gezogenen Kreises, haben.
Hinsichtlich solcher Ausgestaltungen von Formen des Topfes zu
einer erfindungsgemäß mit Rillen bzw. Ritzen versehenen Membran
sei auch auf den Stand der Technik (EP-B-00 75 302) hingewiesen.
Die Membran kann bezogen auf die gewünschte Schwingungsfrequenz
so groß bemessen sein, daß (worauf oben bereits hingewiesen ist)
die Resonanzfrequenz ihrer (einen) ersten Oberwelle benutzt wird.
Dazu empfiehlt es sich, das Plättchen aus Keramikmaterial nur so
groß zu bemessen, daß es, auf der Platte der Membran angebracht,
vom Zentrum aus nur höchstens bis an die Schwingungsknotenlinie
(z.B. Schwingungsknotenkreis), dieser ersten Oberwelle heranreicht.
Damit erübrigt es sich, das Plättchen bzw. die Anordnung und Form
der Elektroden auf dem Plättchen so auszugestalten, daß
entsprechende Anteile desselben (als Sender) in der erforderli
chen Weise gegenphasig piezoelektrisch erregt werden.
Sinngemäß entsprechendes gilt jeweils auch für das Empfangs
verhalten eines erfindungsgemäßen Wandlers.
Hinsichtlich der Tiefe der Rillen bzw. Ritzen ist zu empfehlen,
diese auf mehr als 50% der Dicke der Platte bzw. des Plätt
chens zu bemessen. Es ist jedoch darauf zu achten, daß die Tiefe
der Rillen nicht so groß ist, daß die Stabilitätsgrenze über
schritten wird, die für die Membran 2 zu fordern ist. Grund
sätzlich ist zu sagen, daß je tiefer die Rillen bzw. Ritzen be
messen sind, um so stärker die gewünschte Asymmetrie der Ab
strahlung bzw. der Empfangs-Richtcharakteristik (Fig. 4, Fig. 5)
ist. Entsprechendes gilt für die jeweilige Länge dieser Ritzen
bzw. Rillen, nämlich bezogen auf die jeweilige Abmessung der
Membran. Wie die Figuren zeigen, müssen diese Ritzen bzw. Rillen
nicht in jedem Falle bereits am Rande der Membran beginnen und
enden.
Erfindungsgemäße Wandler nach Fig. 1 und 2 haben z.B. einen Topf
mit 25 mm Durchmesser und eine Dicke 0,4 mm der Platte 11 der
Membran 2. Das Keramikplättchen 10 hat 0,25 bzw. 0,4 mm Dicke
und etwa 9 mm Durchmesser (Durchmesser des Schwingungsknoten
kreises). Ohne Rillen hat dieser Wandler eine Eigenfrequenz bei
40 kHz. Mit erfindungsgemäßen Rillen 3 mit 0,2 mm Tiefe und
etwa 0,2 mm Breite bei 1 mm Abstand ergibt sich eine Eigen
frequenz von 36 bis 33 kHz.
Die Winkel der Abstrahlung in den Richtungen 4 und 5, das ist
das Ausmaß des Astigmatismus, betragen bei einem solchen Wandler
120 bis 140° zu 60 bis 65°.
Claims (18)
1. Elektroakustischer Biegewandler in Topfform,
mit einer Membran, die ein Verbund aus einer Platte aus piezo
elektrisch inaktivem Material und einem Plättchen aus piezo
elektrischem Material ist, wobei das Plättchen, bezogen auf die
Fläche der Platte, zentral angeordnet und mit dieser verbunden
ist, wobei das piezoelektrische Plättchen mit Elektroden ver
sehen ist und
wobei dieser Wandler bezogen auf die Flächennormale der Membran
ein unsymmetrisches räumliches Schall-Richtdiagramm (Fig. 4, 5)
besitzt,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Membran (2) in wenigstens einer ihrer Oberflächen
solche Rillen (3, 13) aufweist, die im wesentlichen zueinander
parallel ausgerichtet sind.
2. Biegewandler nach Anspruch 1,
gekennzeichnet dadurch,
daß sich solche Rillen in der Oberfläche der Platte (11) der
Membran (2) befinden.
3. Biegewandler nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß sich solche Rillen (13) in der Oberfläche des Plättchens
(12) der Membran (2) befinden.
4. Biegewandler nach Anspruch 1, 2 oder 3,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Tiefe der Rillen mehr als 50% der Dicke der Platte (11)
bzw. des Plättchens (12) beträgt, wobei die maximale Tiefe der
artiger Rillen durch die Stabilitätsgrenze der Membran ge
geben ist.
5. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Rillen (3, 13) über die ganze Fläche der Membran (2)
verteilt sind.
6. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Rillen (3, 13) in der jeweiligen Oberfläche der Membran
(2) unsymmetrisch verteilt sind.
7. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Rillen (3, 13) im wesentlichen in wenigstens einer je
weiligen Zone nahe dem Rande der Membran (2) vorhanden sind.
8. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Abstände zwischen den einzelnen Rillen (3, 13) nicht
äquidistant sind.
9. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Membran (2) einstückig mit einem Rand verbunden ist, so
daß ein topfförmiger Wandler (1) vorliegt.
10. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Rillen in das jeweilige Material der Membran (2) ein
geprägt sind.
11. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Rillen in das Material der Membran (2) eingesägt sind.
12. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Rillen (13) auf wenigstens derjenigen Oberfläche der
Membran (2) vorgesehen sind, die eine Innenseite des Wandlers
(1) ist.
13. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
gekennzeichnet dadurch,
daß auf einer beidseitig mit Rillen versehenen Membran (2) die
Rillen (3, 13) auf der Innenseite und der Außenseite der
Membran (2) in im wesentlichen gleicher Richtung verlaufen.
14. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
gekennzeichnet dadurch,
daß wenigstens die Membran ovale Form aufweist.
15. Biegewandler nach Anspruch 14,
gekennzeichnet dadurch,
daß es eine elliptische Form ist.
16. Biegewandler nach Anspruch 14,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Membran die Form einer altägyptischen Kartusche hat.
17. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Membran (2) die Form eines Rechtecks hat.
18. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
gekennzeichnet dadurch,
daß sich das Plättchen aus piezoelektrischem Material im
wesentlichen nur in derjenigen zentralen Schwingungszone der
Membran befindet, die innerhalb der Knotenlinie der Schwingung
der ersten Oberwelle der an ihrem Rande eingespannten Membran
befindet.
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