NL8004410A - Ultrageluidsomzetter. - Google Patents

Description

N/29.753-dV/H0 f. *

Ultrageluidsomzetter.

De uitvinding heeft betrekking op een ultrageluidsomzetter voor het afgeven van geluidsgolven in een vloeibaar medium en voor het ontvangen van dergelijke geluidsgolven, voorzien van een potvormig omzetterhuis, waarin een trillingselement is bevestigd, dat be-5 staat uit een piëzoschijf met een op het aan de voorzijde gelegen, naar het vloeibare medium toegekeerde kopvlak en een op het aan de achterzijde gelegen, naar de bodem van het huis toegekeerde kopvlak aangebrachte elektrode, waarbij in de ruimte tussen de bodem van het huis en het aan de achterzijde gelegen kopvlak van het trillingselement een ultra-10 geluid-isolerend medium is aangebracht, en van een op de elektroden aangesloten stroomkabel.

Een bekende ultrageluidsomzetter van deze soort (Piezooxide-Wandler, maart 1973* blz. 110. Valvo GmbH) is bestemd voor echoloodsystemen, waarbij het trillingselement tezamen met een als ultra-15 geluid-isolerend medium dienende schuimrubberschijf door middel van een gietmassa is ingegoten in het omzetterhuis. Het aan de voorzijde gelegen kopvlak en het mantelvlak van het trillingselement zijn star verbonden met de gietmassa. De gietmassa vormt een het aan de voorzijde gelegen kopvlak beschermende, stevige kunststoflaag.

20 Op dergelijke wijze uitgevoerde ultrageluidsomzetters zijn op zichzelf geschikt voor echoloodsystemen in zeewater, waar zij aan verhoudingsgewijs geringe temperatuurveranderingen zijn onderworpen.

Voor toepassing in doorstroommeters voor warmtehoeveelheid-tellers is de heetwaterbestendigheid van deze omzetters echter onvoldoende. Tengevolge 25 van de verschillende temperatuuruitzettingscoëfficiënten van de betreffende materialen bestaat het gevaar, dat de lijmverbindingen scheuren, terwijl de sterk temperatuurafhankelijke ultrageluidseigenschappen van de gietmassa tot verschillende akoestische belastingen van de piëzoschijf leiden en bijgevolg tot een temperatuurafhankelijke trillingsvorm.

30 De uitvinding beoogt een ultrageluidsomzetter van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen, welke enerzijds tegen heet water bestand is en een constante trillingsvorm over een groot tempera-tuurbereik vertoont en welke anderzijds niettemin een hoge drukvastheid vertoont en als massa-artikel met technisch eenvoudige middelen kan worden 35 vervaardigd.

Hiertoe heeft de ultrageluidsomzetter volgens de uit- snn t& 10 - 2 - vinding het kenmerk, dat het omzetterhuis een schouder met een ten opzichte van de kopvlakken van het trillingselement klein oppervlak bezit, op welke schouder het trillingselement met zijn aan de achterzijde gelegen kopvlak in axiale richting in hoofdzaak star en in radiale richting 5 beweegbaar steunt, waarbij het mantelvlak van het trillingselement op een afstand ligt van het omzetterhuis en door middel van een elastische afdichting ten opzichte van het omzetterhuis is afgedicht en elastisch is bevestigd.

, , , , De. uitvinding wordt hierna nader toegelicht aan de de tekening waarin 10 hand van*enkele uitvoeringsvoorbeelden van de ultrageluidsomzetter volgens de uitvinding zijn weergegeven.

De figuren 1-5 geven drie verschillende uitvoeringsvormen van een ultrageluidsomzetter met een dikteresanantietriller volgens de uitvinding weer; 15 figuur 4 geeft een trillingselement met een radiale resonantietriller weer; en figuur 5 geeft een gedeelte van een doorstroommeter met een ultrageluidsomzetter weer.

In figuur 1' is een potvormig omzetterhuis 1 weerge-20 geven, waarin een trillingselement 2 is bevestigd. Het trillingselement 2 bestaat uit een cilindrische, in vergelijking met de diameter verhoudingsgewijs dunne piëzo-schijf 5 met een op het aan de voorzijde gelegen, naar het niet-weergegeven vloeibare medium toegekeerde kopvlak aangebrachte elektrode 4 en een op het aan de achterzijde gelegen, naar de 25 bodem 5 van het huis 1 toegekeerde kopvlak aangebrachte elektrode 6. Een stroomkabel 7 loopt door de bodem 5 heen en is door middel van een pak-kingbus 8 in de bodem 5 bevestigd en over aansluitdraden 9, 10 op hierna nog ndder te beschrijven wijze met de elektroden 4, 6 verbonden.

Het omzetterhuis 1 is aan de van de bodem 5 afgekeer-50 de binnenzijde van de mantel 11 van het huis voorzien van een concentrische ringvormige uitsparing 12 en een axiaal uitstekende, bij voorkeur ringvormige schouder 15 voor het opnemen van het trillingselement 2. De schouder 15 heeft in vergelijking met de kopvlakken van het trillingselement 2 een klein oppervlak. Het trillingselement 2 steunt met zijn ' 55 aan de achterzijde gelegen kopvlak in axiale richting star op de schouder 15, doch kan in radiale richting over deze schouder glijden. Het zal duidelijk zijn, dat de schouder 15 het trillingselement 2 op dynamische gronden niet te dicht bij het centrum hiervan, doch veeleer in de nabijheid van de buitenste rand moet ondersteunen. De diameter van de uitspa- 800 4 4 10 a ^ - 3 - ring 12 is enigszins groter dan die van het trillingselement 2, zodat het mantelvlak van het trillingselement 2 op een afstand ligt van het omzetterhuis 1, waardoor wordt bereikt dat over het gehele temperatuur-bereik ook bij sterk verschillende warmteuitzettingscoëfficiënten tussen 5 het mantelvlak van het trillingselement 2 en het omzetterhuis 1 nog een geringe speling aanwezig is. Het trillingselement 2 is door middel van een elastische afdichting 14 zowel ten opzichte van het omzetterhuis 1 afgedicht als tevens in axiale en radiale richting elastisch bevestigd.

Volgens het in figuur 1 weergegeven uitvoeringsvoorbeeld bestaat de 10 afdichting 14 uit een flexibele kunststoffolie, welke het aan de voorzijde gelegen kopvlak van het trillingselement 2 tegen afzetting van magnetiet en dergelijke beschermt, in radiale richting ten opzichte van het trillingselement 2 uitsteekt en op het kopvlak van de mantel 11, alsmede op het aan de voorzijde gelegen kopvlak van het trillingselement 2 bijvoor- is .

15 beeld door lijmen flexibel bevestigd. De afdichting 14 kan ten opzichte van de golflengte van het ultrageluid zeer dun zijn of als akoestische aanpassingslaag een dikte bezitten, welke overeenkomt met een kwart golflengte .

In de ruimte 15 tussen de bodem 5 en het aan de aehter-20 zijde gelegen kopvlak van het trillingselement 2 is een ultrageluid-isolerend medium aangebracht. Ter vermijding van condenswatervorming in de ruimte 15 zijn in de bodem 5 openingen 16 gevormd, die althans voor waterdamp doorlatend zijn. Als geluidisolerend medium in de ruimte 15 kan lucht worden toegepast, of om onbevoegde ingrepen via de openingen 16 25 in het inwendige van de ultrageluidsomzetter te bemoeilijken een kunststof schuim.

De piëzo-schijf 5 is bij de uitvoeringsvoorbeelden volgens de figuren 1 - 5 een dikteresonantietriller. Ter vermijding van parasitaire resonanties en daardoor sterk frequentie-afhankelijke en ge-30 compliceerde trillingsvormen bedraagt de diameter van de aan de achterzijde gelegen elektrode 6 ten hoogste de helft van de diameter van de piëzo-schijf 3j waarbij het trillingselement 2 buiten deze elektrode 6 steunt op de schouder 13·

De aan de voorzijde gelegen elektrode 4 strekt zich 35 bij voorkeur op tenminste één plaats van de piëzo-schijf 3 over het mantelvlak uit tot op het aan de achterzijde gelegen kopvlak. Hierdoor wordt vermeden, dat één van de aansluitdraden 9# 10 naar de voorzijde van het trillingselement 2 moet worden geleid. De met de aan de voorzijde gelegen elektrode 4 elektrisch verbanden aansluitdraad 9 kan vol- q η n L L 1 0 - 4 - gens de figuren 2 en 3 direkt aan zijn gesoldeerd of volgens figuur 1 op het omzetterhuis 1 zijn aangesloten, dat in dit geval uit metaal bestaat of inwendig is voorzien van een elektrisch geleidende laag, zodat de elektrische verbinding met de elektrode 4 plaatsvindt via de contact-5 vlakken tussen de schouder 13 en de elektrode 4. Indien de aan de voorzijde gelegen elektrode 4 zich niet via het mantelvlak van de piëzo-schijf 3 tot op de achterzijde uitstrekt, kan de elektrische verbinding tussen de elektrode 4 en het omzetterhuis 1 ook plaatsvinden, doordat de elastische afdichting 14 aan de achterzijde wordt bekleed met een 10 dunne metaallaag, welke dan op de elektrode 4 en op het kopvlak van de mantel 11 steunt. Een dergelijke metaallaag, die bijvoorbeeld door opdampen kan worden verkregen, werkt bovendien als extra waterdampafslui-ting.

De beschreven ultrageleuidsomzetter kan zowel voor 15 het afgeven of afstralen van geluidsgolven in een vloeibaar medium als voor het ontvangen van dergelijke geluidgolven dienen. De dure en arbeidsintensieve toepassing van gietmassa’s wordt bij de beschreven ultra-geluidsomzetter vermeden, terwijl een tegen heet water bestendige constructie wordt bereikt. Aangezien het trillingselement 2 steunt op een 20 schouder 13 met klein oppervlak, voor het overige echter elastisch in het omzetterhuis is bevestigd en aan de achterzijde praktisch vrijligt, zijn een hoge drukvastheid en een temperatuuronafhankelijke trillings-vorm gewaarborgd, terwijl geluidsafgifte naar de achterzijde, welke tot energieverlies en storende achterwandecho's leidt, nochtans worden ver-25 meden.

In figuur 2 geven de in figuur 1 reeds gebruikte referentiecijfers dezelfde onderdelen aan. Het omzetterhuis 1' onderscheidt zich in hoofdzaak slechts van het omzetterhuis 1 volgens figuur 1, doordat het kopvlak van de ringvormige uitsparing 12' als schouder 30 13' dient, op welke schouder het trillingselement 2 met de buitenste rand van het aan de achterzijde gelegen kopvlak in axiale richting star en in radiale richting beweegbaar steunt. Een 0-ring 17/ die coaxiaal ten opzichte van het trillingselement 2 is ingeklemd tussen het mantelvlak hiervan en het door de uitsparing 12' gevoimde inwendige mantelvlak 35 van het omzetterhuis 1 *, vormt een afdichting van het trillingselement 2 ten opzichte van het omzetterhuis 1' en vormt tevens voor het trillingselement in radiale richting een elastische bevestiging. De ruimte 15 en de openingen 16 zijn om de reeds eerder genoemde reden volgeschuimd met een kunststofmateriaal. De bij voorkeur uit zilver bestaande, aan de 800 4 4 1 0 - 5 - voorzijde gelegen elektrode 4 bedekt volledig tenminste het aan de voorzijde gelegen kopvlak en het mantelvlak van de piëzo-schijf 3 en beschermt de piëzo-schijf 3 op afdoende wijze voor afzettingen. Het biedt voordeel, als de aan de voorzijde gelegen elektrode 4, die zich tot op het aan de 5 achterzijde gelegen kopvlak van de piëzo-schijf 3 uitstrekt, tevens het contactvlak tussen de schouder 13' en het trillingselement 2 volledig bedekt, waardoor een onderlinge chemische beïnvloeding van het omzetter-huis 1' en de piëzo-schijf 3 wordt verhinderd.

De ultrageluidsomzetter volgens figuur 3 onderscheidt 10 zich van de omzetter volgens figuur 2 door een bijvoorbeeld flexibel vastgelijmde of opgestoven kunststoflaag 18, die weer dun kan zijn of een dikte van een kwart golflengte kan bezitten en die tenminste het aan de voorzijde gelegen kopvlak en het mantelvlak van het trillingselement 2 tegen afzettingen beschermt. Het is ook mogelijk op grond van beveili-15 gings- en afdichtingsoverwegingen een dunne kunststoffolie in te bedden tussen de schouder 13' en het trillingselement 2, of de kunststoflaag 18 ook in het contactgebied van de schouder 13’ aan te brengen. Het trillingselement 2 is dan nog steeds in axiale richting in hoofdzaak star ondersteunt, zodat de drukvastheid niet wordt geschaad.

20 In figuur 4 is een trillingselement 19 weergegeven, dat is voorzien van een als radiale resonantietriller uitgevoerde piëzo-schijf 20 en dat in plaats van het trillingselement 2 kan worden toegepast bij de beschreven ultrageluidsomzetters. Een elektrode 21 bedekt het gehele aan de voorzijde gelegen kopvlak van de piëzo-schijf 20 en 25 vormt een smalle aansluitstrook 22, die zich over het mantelvlak van de schijf 20 tot op het aan de achterzijde gelegen kopvlak uitstrekt. Een elektrode 23 bedekt met uitzondering van het door de aansluitstrook 22 in beslag genomen oppervlak het gehele aan de achterzijde gelegen kopvlak van de piëzo-schijf 20.

30 In figuur 5 is de ultrageluidsomzetter volgens figuur 1 weergegeven, die voor het meten van de stroomsnelheid van een vloei-' baar medium in een meetbuis 24 in een buisvormige aansluitstomp 25 is ingebouwd, door middel van een 0-ring 26 is afgedicht ten opzichte van de aansluitstomp 25 en door middel van een schroefdraadring 27 is be-35 vestigd. De piëzo-schijf is coaxiaal ten opzichte van de meetbuis 24 en op een bepaalde afstand van de mond hiervan aangebracht. De diameter van de piëzo-schijf 3 is groter dan de binnendiameter van de meetbuis 24, zodat de afgifte van een vlakke ultrageluidsgolf met constante intensiteits-verdeling in de meetbuis 24 is gewaarborgd.

8004410

Claims (12)

1. Ultrageluidsomzetter voor het afgeven van geluidsgolven in een vloeibaar medium en voor het ontvangen van dergelijke geluidsgolven, voorzien van een potvormig omzetterhuis, waarin een tril- 5 lingselement is bevestigd, dat bestaat uit een piëzo-schijf met een op het aan de voorzijde gelegen, naar het vloeibare medium toegekeerde kopvlak en een op het aan de achterzijde gelegen, naar de bodem van het huis toe gekeerde kopvlak aangebrachte elektrode, waarbij in de ruimte tussen de bodem van het huis en het aan de achterzijde gelegen 10 kopvlak van het trillingselement een ultrageluid-isolerend medium is aangebracht, en van een op de elektrode aangesloten stroomkabel, met het kenmerk, dat het omzetterhuis (1; 1') een schouder (13; 13. met een ten opzichte van de kopvlakken van het trillingselement (2; 19) klein oppervlak bezit, op welke schouder het trillingselement 15 (2; 19) met zijn aan de achterzijde gelegen kopvlak in axiale richting in hoofdzaak star en in radiale richting beweegbaar steunt, waarbij het manteloppervlak van het trillingselement (2; 19) op een afstand ligt van het omzetterhuis (1; 1') en door middel van een elastische afdichting (14; 17) ten opzichte van het omzetterhuis (1; 1') is afgedicht en elas-20 tisch is bevestigd.

2. Ultrageluidsomzetter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de schouder (13; 13') ringvormig is en dat het trillingselement (2; 19) met de buitenste rand van zijn aan de achterzijde gelegen kopvlak of in de nabijheid van deze buitenste rand op de 25 schouder (13? 15') steunt.

3. Ultrageluidsomzetter volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat in de bodem (5) van het huis tenminste één voor waterdamp doorlatende opening (16) is aangebracht.

4. Ultrageluidsomzetter volgens conclusie 3, met 30 het kenmerk, dat het ultrageluid-Isolerende medium een kunststof schuim is.

5. Ultrageluidsomzetter volgens één der conclusies 1-4, met het kenmerk, dat de aan de voorzijde gelegen elektrode (4; 21) op tenminste één plaats van de piëzo-schijf (3; 20) 35 zich over het mantelvlak uitstrekt tot op het aan de achterzijde gelegen kopvlak.

6. Ultrageluidsomzetter volgens één der conclusies 1-5* met het kenmerk, dat het aan de voorzijde gelegen kopvlak van het trillingselement (2; 19) is beschermd door middel van een 8004410 - 7 - kunststoflaag, die radiaal ten opzichte van het trillingselement (2; 19) uitsteekt en de elastische afdichting (14) vormt.

7. Ultrageluidsomzetter volgens êên der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat de elastische afdichting 5 (17) een O-ring is.

8. Ultrageluidsomzetter volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat tenminste het aan de voorzijde gelegen kop-vlak en het mantelvlak van het trillingselement (2j 19) is beschermd door een kunststoflaag (18). 10

9· Ultrageluidsomzetter volgens êên der conclusies 1-5* met het kenmerk, dat het aan de voorzijde gelegen kopvlak en het mantelvlak van het trillingselement (2; 19) is beschermd door de aan de voorzijde gelegen elektrode (4j 21).

10. Ultrageluidsomzetter volgens conclusie 2, met 15 het kenmerk, dat de piëzo-schijf (3) een dikteresonantietril-ler is, waarbij de diameter van de aan de achterzijde gelegen elektrode (6) ten hoogste de helft bedraagt van de diameter van de piëzo-schijf (3) en het trillingselement (2) buiten de aan de achterzijde gelegen elektrode ( 6 ) steunt op de schouder (13)·

11. Ultrageluidsomzetter volgens êên der conclusies 1-9* met het kenmerk, dat de piëzo-schijf (20) een radiale resonantietriller is, waarbij de aan de achterzijde gelegen elektrode (23) althans nagenoeg het gehele aan de achterzijde gelegen kopvlak van de piëzo-schijf bedekt.

12. Toepassing van de ultrageluidsomzetter volgens êên der conclusies 1 - 11 in een doorstroommeter voor het meten van de stroomsnelheid van een vloeibaar medium in een buis, met het kenmerk, dat de diameter van de piëzo-schijf (3; 20) groter is dan de binnendiameter van de buis (24). 30 8004410