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EP0390959A2 - Ultrasonic transducer - Google Patents

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Publication number
EP0390959A2
EP0390959A2 EP89106914A EP89106914A EP0390959A2 EP 0390959 A2 EP0390959 A2 EP 0390959A2 EP 89106914 A EP89106914 A EP 89106914A EP 89106914 A EP89106914 A EP 89106914A EP 0390959 A2 EP0390959 A2 EP 0390959A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transducer
ultrasonic transducer
transducer element
adaptation
ultrasonic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP89106914A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0390959A3 (en
Inventor
Neil Dr. Craigie
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CRAIGIE, NEIL, STUART
Original Assignee
CRAIGIE Neil S Dr
Pepperl and Fuchs SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE8904225U external-priority patent/DE8904225U1/en
Priority claimed from DE19893911047 external-priority patent/DE3911047A1/en
Application filed by CRAIGIE Neil S Dr, Pepperl and Fuchs SE filed Critical CRAIGIE Neil S Dr
Publication of EP0390959A2 publication Critical patent/EP0390959A2/en
Publication of EP0390959A3 publication Critical patent/EP0390959A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0662Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
    • B06B1/0681Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface and a damping structure
    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00Methods 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
    • G10K11/02Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic transducer according to the preamble of claim 1.
  • Such an ultrasonic transducer is known for example from DE-PS 25 41 492 or DE-PS 34 01 979.
  • the aforementioned known ultrasonic transducers have already shown solutions to the fundamental problem existing in the design of ultrasonic transducers, namely to achieve the highest possible sound pressure and a large sound amplitude with the same energy.
  • the impedance matching problem that exists between the piezo-ceramic transducer element excited to vibrate and the air has been solved relatively satisfactorily by applying a ⁇ / 4 matching body to the piezoceramic transducer element.
  • the acoustic impedance of the matching body was chosen between the impedance of the piezoceramic and that of the air.
  • the original concept of an ultrasonic transducer with a platelet-shaped, piezoceramic transducer element and a ⁇ / 4 adaptation layer bonded thereon is a step in the right direction the main radiation, this ⁇ / 4 adaptation layer is exactly adapted to the piezoceramic transducer element and has, for example, a circular cylindrical shape, a very wide central main lobe in the sound lobe profile with a large number of relatively equally strong side lobes.
  • the solution of the ultrasonic transducer proposed in DE-PS 25 41 492 does provide a ⁇ / 4 layer as the adaptation body.
  • the adaptation body itself has a much larger surface area with the area protruding beyond the edge of the piezoceramic transducer element.
  • a weighting ring spaced from it is bonded to the underside of this protruding area, so to speak at the level of the piezoceramic transducer element.
  • the resulting sound lobe profile shows a relatively narrow central main lobe, which, however, is accompanied by two extremely strong, closely adjacent first side lobes.
  • the solution alternative proposed in DE-PS 34 01 979 provides in a quite comparable manner a ⁇ / 4 adaptation body which is substantially larger in area and which is designed as a ⁇ / 2 oscillator in the area which projects radially beyond the piezoceramic transducer, so to speak.
  • the resulting sound lobe profile is characterized by a relatively strong, central main lobe and several, weaker side lobes.
  • the object of the invention is therefore to design an ultrasonic transducer of the generic type with small dimensions with good radiation characteristics and also to enable simple adaptation options to changed parameters, in particular the frequency.
  • the object is achieved by the features of the characterizing part of claim 1.
  • a fundamental idea of the invention can therefore be seen in the fact that it was not based on an oversizing of the adaptation body on the piezoceramic transducer element, but rather a reorientation towards an ⁇ / 4 adaptation body which was almost identical in diameter as the piezoceramic transducer element.
  • the effective main radiation area or end face of the ⁇ / 4 adaptation body deviates slightly from the main area of the piezoceramic transducer element.
  • the effective radiation area is to be understood as the area up to which there is node in the amplitude diagram of the vertical or thickness vibration of the ⁇ / 4 adaptation body or a phase inversion of the amplitude does not occur.
  • the knowledge that the main surface of the ⁇ / 4 adaptation body facing away from the piezoceramic transducer element is slightly larger or smaller than that bonded onto the piezoceramic transducer element and usually matching surface of the adaptation body.
  • the invention therefore makes use of the knowledge that the actually desired thickness vibration or vertical vibration perpendicular to the main surface of the ultrasonic transducer is superimposed by radial vibrations. These radial vibrations are present above all if the thickness of the ⁇ / 4 adapter body is relatively small in relation to the diameter of the adapter body. This superposition of vertical vibration and radial vibration modes can result in node points or node rings, which result in a smaller effective radiation area.
  • the invention has recognized that the radial vibration modes in the adapter body are very sensitive to the reflection boundary conditions on the lateral peripheral edge of the adapter body. This has the corresponding effect that the vibrations of the ultrasonic transducer can be significantly influenced by small changes in the diameter of the main surface of the adapter body, based on the diameter of the piezoceramic transducer element, and small changes in shape of the peripheral wall of the adapter body. Frequency, modulus of elasticity and Poisson transverse number therefore influence the precise shape of the lateral peripheral wall, the configuration being such that knots form in the Amplitude diagram of the vertical vibration can be avoided.
  • the side line of the peripheral surface of the adapter body is a straight line that diverges or converges, so that the diameter of the main surface of the adapter body deviates slightly from the main surface of the piezoceramic transducer element.
  • the diameter of the main surface of the adapter body facing away from the transducer element can be 32 mm.
  • slightly positive or slightly negative curved side lines are also advantageous in order to achieve a relatively centered high sound pressure.
  • the change in the diameter of the main surface of the adapter body compared to the transducer surface is suitably in the range from 4% to 15%, especially around 6% to 10%.
  • the main surface of the adapter body facing away from it may also have a different contour, especially if the diameter is larger than that of the transducer element.
  • Another possible variation is to make the diameter of the surface of the adapter body bonded to the transducer surface slightly smaller or larger than the piezoceramic transducer surface. For certain frequencies and transducer diameters, this, in combination with the above-mentioned shaping, has a favorable influence on the sound beam profile.
  • the ring transducer consists of a ring-like, piezoceramic transducer element with an inner diameter slightly larger than the largest diameter of the inner adapter body.
  • the ring converter is on the converter element a ring-cylindrical ⁇ / 4 adapter body is bonded, which is usually strictly cylindrical.
  • an ultrasound transducer combined with a ring transducer in comparison to the main area of a single truncated cone-shaped ultrasound transducer, can have a very specific influence on the side lobes by means of a different phase and magnitude ratio between the two transducers. This makes it possible to push back the problematic side lobes even more than is possible with pure truncated cone-shaped transducers and with the known solutions mentioned above.
  • even embodiments open up, e.g. on one side of the sound lobe profile wanted to reach a wide sound field with intense side lobes, while on the other side the side lobes are almost non-existent.
  • the ultrasound transducer shown schematically in axial section in FIG. 1 has a circular cylindrical, plate-shaped piezoceramic transducer element 2, on which a ⁇ / 4 adaptation body 3 is applied.
  • the main radiation direction of this transducer 1 is perpendicular to the upper main surface of the adaptation body.
  • the adapter body 3 is precisely adapted to the transducer element 2 in diameter.
  • Fig. 2a this is at a certain frequency and excitation energy and a certain diameter of the transducer 1 of e.g. 30mm obtained sound beam profile shown in the horizontal plane.
  • This sound lobe profile has a relatively wide, central main lobe 5, which is accompanied on both sides by several strong side lobes 6.
  • FIG. 2 b shows the amplitude diagram of the transducer 1 according to FIG. 1, the amplitude A being plotted on the ordinate as a function of the radius R of the transducer 1.
  • Amplitude A is understood to mean the vertical or thickness vibration of the transducer 1.
  • This problem consists in that there is a phase inversion of the amplitude with the node towards the outer radius R, so that after the point of intersection with the abscissa R there is a negative amplitude up to the maximum radius.
  • This phase reversal of the amplitude which occurs in terms of area as a node ring in the transducer 1, therefore does not produce any sound radiation in the direction of the main radiation direction, but rather represents a loss of energy which can be avoided in any case.
  • FIG. 3a A further ultrasonic transducer 8 according to the prior art is shown in Fig. 3a.
  • This transducer 8 constructed in accordance with DE-PS 25 51 492, has a ⁇ / 4 adapter body 9, which projects significantly beyond the diameter of the piezoelectric transducer element 2.
  • a weighting ring 10 is present on the underside of the adaptation body 9.
  • the amplitude profile of the transducer 8 according to FIG. 3a is shown in FIG. 3c.
  • the maximum, standardized amplitude A can be found in a direction perpendicular to the center of the transducer 8.
  • the sound lobe profile according to FIG. 3b is characterized by a relatively narrow central lobe and two pronounced side lobes.
  • FIG. 4a also shows schematically in axial section the further ultrasonic transducer according to DE-PS 34 01 979.
  • This transducer 12 also comprises a ⁇ / 4 adapter body 13, which acts as a ⁇ / 2 oscillator in the region 14 projecting radially beyond the transducer element 2 is trained.
  • the sound lobe profile according to FIG. 4b shows a main lobe filling the 10 ° range and several, but smaller, side lobes, the difference from FIG. 3b being due to the amplitude distribution (FIG. 4c).
  • the amplitude diagram of the transducer 12 according to FIG. 4a shown in FIG. 4c has, in addition to the main maximum, a further secondary maximum in the region of two thirds of the maximum radius. Between these maximas there is a minimum with almost no amplitude oscillation. In the edge area, however, a phase reversal, albeit slight, has also been found here.
  • an ultrasonic transducer 20 according to the invention is shown in basic section in axial section.
  • a ⁇ / 4 adaptation body 22 is bonded onto the piezoceramic transducer element 21, which is circular, for example.
  • the surface 23 of the transducer element 21 corresponds to the lower surface 24 of the adapter body.
  • the lateral peripheral surface is designed to diverge. This way he there is a horn-like or frustoconical shape for the adaptation body, the main surface 25 facing away from the transducer element 21 has a somewhat larger diameter than the transducer element 21.
  • the side line 26 is therefore a straight line which, for. B. connects a main surface 25 with a diameter of about 32 mm with the main surface 24 of about 30 mm.
  • an amplitude diagram for the thickness or vertical vibration is obtained, taking into account possible superimpositions by the radial vibration, as shown in FIG. 5c.
  • the ordinate A shows the amplitude, based on the maximum amplitude 1.0, as a function of the radius R.
  • the right discontinuity value on the abscissa R therefore characterizes the amplitude at the outer edge of the front main surface 25 of the adaptation body 22 lying in the radiation direction.
  • the maximum of the vertical amplitude lies somewhat radially spaced from the axis of the transducer or the main radiation direction, but avoiding a node or a phase reversal of the amplitude due to the configuration of the lateral peripheral surface in coordination with the diameter of the front main surface becomes.
  • the amplitude distribution therefore approaches that of a rigid piston vibration.
  • this configuration of the ⁇ / 4 adaptation body 22 according to FIG. 5a achieves a central lobe 28 in the region of a 10 ° radiation angle from the main radiation direction 0 with two smaller, but nevertheless noticeable side lobes 29.
  • the advantage of the transducer according to the invention can therefore be seen above all in comparison with the transducer according to the prior art according to FIG. 1 and from the comparison of the corresponding sound diagrams.
  • the minimally changed design configuration of the transducer 20 according to FIG. 5a which, however, largely excludes the formation of a node for the vertical oscillation, results in a much more intensive, more concentrated main lobe 28 in comparison with the central main lobe 5 according to FIG. 2 of the prior art.
  • FIG. 6 shows another ultrasound transducer 40 according to the invention.
  • This transducer 40 is characterized by a piezoceramic transducer element 21, on which a ⁇ / 4 adapter body is applied, which has a convex side line of the peripheral surface in axial section.
  • the same thickness in the radiation direction for the transducer and adapter body and also the same resonance frequency as assumed in the example according to FIG. 5a, this positively curved, convex profile of the side surface is expedient if the transducer element has a smaller diameter, for example, of about 20 mm instead of 30 mm Has.
  • the course of the vertical amplitude is shown in Fig. 6a. Here the amplitude maximum moves further to the edge. However, an amplitude reversal is also avoided here.
  • the combination of a converter according to FIG. 5a with a ring converter 52 shown in FIG. 7a has proven.
  • the entire converter 50 therefore exists from an inner compact transducer 51 with transducer element 21 and ⁇ / 4 adapter body 22.
  • this transducer 51 is surrounded by a ring transducer 52.
  • This ring transducer 52 itself has an annular, piezoelectric transducer element 54, on which a ⁇ / 4 adapter body, for example in the form of a ring cylinder, is applied with the same thickness.
  • these two transducers 51 and 52 can be controlled equally in terms of phase and amount, but can also be controlled differently, this opens up possibilities for influencing the sound beam profile in an excellent manner.
  • One form of this influence is shown in the sound lobe profile shown in FIG. 7c, in which, for example, the side lobes 29, which are still relatively noticeable in FIG. 5b, are pushed back into the now very small side lobes 59.
  • FIG. 7d shows the amplitude diagram of the vertical vibration of the transducer combination 50 according to FIG. 7a.
  • the maximum therefore shifts somewhat closer to the ordinate.
  • This example according to FIG. 7d shows that in the combination of a compact transducer 51 with a ring transducer 52 according to FIG. 7a, a broad spectrum of desired amplitude profiles for the vertical vibration and thus also for the sound beam profile can be set.
  • the invention therefore opens up a new way of being able to achieve extremely effective power or range with partially controllable side lobes even with very small ultrasonic transducers.

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Abstract

The invention relates to an ultrasonic transducer with a piezoelectric transducer element which can be excited to radiate ultrasonic oscillations. Whereas previously the approach has been to overdimension the adapter body in the direction of the diameter, the approach in the invention is to achieve an effective, smallest-possible diameter of the adaptor body by adapting the lateral circumferential area of the adaptor body. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler gemäß Oberbe­griff des Anspruchs 1.The invention relates to an ultrasonic transducer according to the preamble of claim 1.

Ein derartiger Ultraschallwandler ist beispielsweise aus der DE-PS 25 41 492 oder der DE-PS 34 01 979 bekannt.
Die vorgenannten bekannten Ultraschallwandler haben für das bei der Konzeption für Ultraschallwandler bestehende grundsätzli­che Problem, nämlich bei gleicher Energie einen möglichst ho­hen Schalldruck und eine große Schallamplitude zu erreichen, schon Lösungen aufgezeigt.
Such an ultrasonic transducer is known for example from DE-PS 25 41 492 or DE-PS 34 01 979.
The aforementioned known ultrasonic transducers have already shown solutions to the fundamental problem existing in the design of ultrasonic transducers, namely to achieve the highest possible sound pressure and a large sound amplitude with the same energy.

So hat man das Impedanz-Anpassungsproblem, das zwischen dem zu Schwingungen angeregten piezokeramischen Wandlerelement und der Luft besteht, durch das Aufbringen eines λ/4-Anpassungs­körpers auf das piezokeramische Wandlerelement relativ zufrie­denstellend gelöst. Hierbei wurde die akustische Impedanz des Anpassungskörpers zwischen der Impedanz der Piezokeramik und der der Luft gewählt.Thus, the impedance matching problem that exists between the piezo-ceramic transducer element excited to vibrate and the air has been solved relatively satisfactorily by applying a λ / 4 matching body to the piezoceramic transducer element. The acoustic impedance of the matching body was chosen between the impedance of the piezoceramic and that of the air.

Wie es in den Fig. 1 bis 4, auf die nachstehend noch eingegan­gen wird, zur besseren Gegenüberstellung mit der Erfindung dargestellt ist, müssen die bisher beschrittenen Lösungsalter­nativen im Hinblick auf eine gute Abstrahlcharakteristik eines Ultraschallwandlers bei möglichst kleiner Größe als unbefrie­digend angesehen werden.As is shown in FIGS. 1 to 4, which will be discussed below, for a better comparison with the invention, the alternative solutions that have been used so far must be regarded as unsatisfactory with regard to a good radiation characteristic of an ultrasonic transducer with the smallest possible size.

So bringt das ursprüngliche Konzept eines Ultraschallwandlers mit einem plättchenförmigen, piezokeramischen Wandlerelement und darauf aufgebondeter λ/4-Anpassungsschicht in Richtung der Hauptabstrahlung, wobei diese λ/4-Anpassungsschicht exakt dem piezokeramischen Wandlerelement angepaßt ist und z.B. kreis­zylindrische Form aufweist, eine sehr breite zentrale Haupt­keule im Schallkeulenprofil mit einer Vielzahl relativ gleich starker Nebenkeulen.The original concept of an ultrasonic transducer with a platelet-shaped, piezoceramic transducer element and a λ / 4 adaptation layer bonded thereon is a step in the right direction the main radiation, this λ / 4 adaptation layer is exactly adapted to the piezoceramic transducer element and has, for example, a circular cylindrical shape, a very wide central main lobe in the sound lobe profile with a large number of relatively equally strong side lobes.

Die in der DE-PS 25 41 492 vorgeschlagene Lösung des Ultra­schallwandlers sieht als Anpassungskörper zwar eine λ/4-­Schicht vor. Der Anpassungskörper selbst hat jedoch eine we­sentlich größere Flächenabmessung mit über den Rand des piezo­keramischen Wandlerelementes überstehenden Bereich. Zusätzlich ist auf der Unterseite dieses überstehenden Bereichs, sozusa­gen auf der Höhe des piezokeramischen Wandlerelementes, ein von diesem beabstandeter Beschwerungsring angebondet.
Das hierbei erreichte Schallkeulenprofil zeigt unter Zugrunde­legung gleicher Anregungsfrequenz und Energie eine relativ schmale zentrale Hauptkeule, die jedoch von zwei äußerst star­ken, eng benachbarten ersten Nebenkeulen begleitet ist.
The solution of the ultrasonic transducer proposed in DE-PS 25 41 492 does provide a λ / 4 layer as the adaptation body. However, the adaptation body itself has a much larger surface area with the area protruding beyond the edge of the piezoceramic transducer element. In addition, a weighting ring spaced from it is bonded to the underside of this protruding area, so to speak at the level of the piezoceramic transducer element.
On the basis of the same excitation frequency and energy, the resulting sound lobe profile shows a relatively narrow central main lobe, which, however, is accompanied by two extremely strong, closely adjacent first side lobes.

Die in der DE-PS 34 01 979 vorgeschlagene Lösungsalternative sieht in ganz vergleichbarer Weise einen flächenmäßig wesent­lich größeren λ/4-Anpassungskörper vor, der im über den piezokeramischen Wandler sozusagen radial überstehenden Be­reich als λ/2-Schwinger ausgebildet ist.
Das dadurch erreichte Schallkeulenprofil ist durch eine rela­tiv starke, zentrale Hauptkeule und mehreren, schwächeren Nebenkeulen geprägt.
The solution alternative proposed in DE-PS 34 01 979 provides in a quite comparable manner a λ / 4 adaptation body which is substantially larger in area and which is designed as a λ / 2 oscillator in the area which projects radially beyond the piezoceramic transducer, so to speak.
The resulting sound lobe profile is characterized by a relatively strong, central main lobe and several, weaker side lobes.

Gerade der Vergleich der vorausgehend angeführten drei Alter­nativen des Standes der Technik zeigt, daß man mit flächenmäßig kleinen Ultraschallwandlern noch kein günstiges Schallkeulen­profil mit starker zentraler Hauptkeule und stark zurückge­drängten Nebenkeulen erreicht. Auf der anderen Seite aber auch flächenmäßig groß dimensionierte Ultraschallwandler im Hin­ blick auf Dimensionierung, Ansteuerungsenergie und Schallkeu­lenprofil noch keine zufriedenstellende Lösung zeigen.The comparison of the three prior art alternatives mentioned above shows that, with small ultrasonic transducers in terms of area, a favorable sound beam profile with a strong central main beam and strongly suppressed side beams cannot be achieved. On the other hand, there are also large ultrasonic transducers in the rear with regard to dimensioning, control energy and sound beam profile have not yet shown a satisfactory solution.

Unter Berücksichtigung dieses Standes der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler der gattungsgemäßen Art bei kleiner Dimensionierung mit guter Abstrahlcharakteristik auszulegen und auch einfache Anpassungs­möglichkeiten an geänderte Parameter, insbesondere die Frequenz, zu ermöglichen.Taking this state of the art into account, the object of the invention is therefore to design an ultrasonic transducer of the generic type with small dimensions with good radiation characteristics and also to enable simple adaptation options to changed parameters, in particular the frequency.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kenn­zeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Als grundlegender Gedanke der Erfindung kann daher gewertet werden, daß man sich nicht von einer Überdimensionierung des Anpassungskörpers auf dem piezokeramischen Wandlerelement lei­ten ließ, sondern eine Rückorientierung auf einen durchmesser­mäßig nahezu identischen λ/4-Anpassungskörper, wie das piezo­keramische Wandlerelement durchführte. Hierbei jedoch mußte man überraschenderweise feststellen, daß die effektive Hauptab­strahlungsfläche bzw. Stirnfläche des λ/4-Anpassungskörpers geringfügig von der Hauptfläche des piezokeramischen Wandler­elementes abweicht.
Unter effektiver Strahlungsfläche soll nachstehend die Fläche verstanden werden, bis zu der im Amplitudendiagramm der Verti­kal- bzw. Dickenschwingung des λ/4-Anpassungskörpers kein Knotenpunkt vorhanden ist oder eine Phasenumkehr der Amplitude nicht auftritt.
The object is achieved by the features of the characterizing part of claim 1.
A fundamental idea of the invention can therefore be seen in the fact that it was not based on an oversizing of the adaptation body on the piezoceramic transducer element, but rather a reorientation towards an λ / 4 adaptation body which was almost identical in diameter as the piezoceramic transducer element. However, it was surprisingly found that the effective main radiation area or end face of the λ / 4 adaptation body deviates slightly from the main area of the piezoceramic transducer element.
In the following, the effective radiation area is to be understood as the area up to which there is no node in the amplitude diagram of the vertical or thickness vibration of the λ / 4 adaptation body or a phase inversion of the amplitude does not occur.

Als Ergebnis kann daher für die Erfindung die Erkenntnis fest­gehalten werden, daß die dem piezokeramischen Wandlerelement abgewandete Hauptfläche des λ/4-Anpassungskörpers in Strah­lungsrichtung gesehen geringfügig größer oder kleiner ist als die auf dem piezokeramischen Wandlerelement aufgebondete und in der Regel übereinstimmende Fläche des Anpassungskörpers. Es wird daher bewußt eine Abweichung von einer im bisherigen Sinn streng kreiszylindrischen Form des λ/4-Anpassungskörpers durchgeführt, der erfindungsgemäß eine größere oder kleinere in Strahlungsrichtung orientierte Hauptfläche aufweist, wobei der Durchmesser bzw. die Größe der Hauptfläche ebenso wie die Umfangsfläche und deren Seitenlinie durch die Frequenz, die Materialparameter des Anpassungskörpers und die Dicke bestimmt wird.As a result, the knowledge that the main surface of the λ / 4 adaptation body facing away from the piezoceramic transducer element is slightly larger or smaller than that bonded onto the piezoceramic transducer element and usually matching surface of the adaptation body. There is therefore a deliberate deviation from a strictly circular cylindrical shape of the λ / 4 adaptation body, which according to the invention has a larger or smaller main surface oriented in the radiation direction, the diameter or the size of the main surface as well as the peripheral surface and its side line is determined by the frequency, the material parameters of the adaptation body and the thickness.

Bei der Erfindung macht man sich daher die Erkenntnis zunutze, wonach die eigentlich erwünschte Dickenschwingung bzw. Verti­kalschwingung senkrecht zur Hauptfläche des Ultraschallwand­lers durch radiale Schwingungen überlagert wird. Diese Radial­schwingungen sind vor allen Dingen dann vorhanden, wenn die Dicke des λ/4-Anpassungskörpers im Verhältnis zum Durchmesser des Anpassungskörpers relativ klein ist. Aus dieser Überlage­rung von Vertikalschwingung und Radialschwingungs-Modi kön­nen kann Knotenpunkte bzw. Knotenringe entstehen, die eine kleinere effektive Strahlungsfläche mit sich bringen.The invention therefore makes use of the knowledge that the actually desired thickness vibration or vertical vibration perpendicular to the main surface of the ultrasonic transducer is superimposed by radial vibrations. These radial vibrations are present above all if the thickness of the λ / 4 adapter body is relatively small in relation to the diameter of the adapter body. This superposition of vertical vibration and radial vibration modes can result in node points or node rings, which result in a smaller effective radiation area.

Obwohl man bisher diese Knotenpunkte durch eine überstehende Ringstruktur des λ/4-Anpassungskörpers beeinflußte und mini­mierte, hat die Erfindung erkannt, daß die Radialschwingungs-­Modi im Anpassungskörper sehr empfindlich gegenüber den Re­flexionsrandbedingungen am seitlichen Umfangsrand des Anpas­sungskörpers sind. Dies wirkt sich dementsprechend so aus, daß man die Schwingungen des Ultraschallwandlers durch kleine Änderungen im Durchmesser der Hauptfläche des Anpassungskör­pers, bezogen auf den Durchmesser des piezokeramischen Wand­lerelementes, und kleine Formänderungen der Umfangswand des Anpassungskörpers, erheblich beeinflussen kann.
Frequenz, Elastizitätsmodul und Poisson-Querzahl beein­flussen daher die genaue Form der seitlichen Umfangswand, wobei die Konfiguration so erfolgt, daß Knotenbildungen im Amplitudendiagramm der vertikalen Schwingung vermieden werden. In einfachster Konfiguration ist die Seitenlinie der Umfangs­fläche des Anpassungskörpers eine Gerade, die divergiert oder konvergiert, so daß der Durchmesser der Hauptfläche des Anpas­sungskörpers geringfügig von der Hauptfläche des piezokeramischen Wandlerelements abweicht. Beispielsweise kann bei einem Durchmes­ser von 30 mm des Wandlerelementes der Durchmesser der dem Wand­lerelement abgewandten Hauptfläche des Anpassungskörpers 32 mm betragen. Abhängig vom Verhältnis der Dicke des Anpassungskör­pers zum Durchmesser des Wandlerelementes sind auch leicht posi­tiv oder leicht negativ gekrümmte Seitenlinien vorteilhaft, um einen relativ zentrierten hohen Schalldruck zu erreichen.
Die Änderung des Durchmessers der Hauptfläche des Anpassungs­körpers im Vergleich zur Wandlerfläche, der als kreisförmig an­genommen wird, liegt geeigneterweise im Bereich von 4 % bis 15 %, speziell, um etwa 6 % bis 10 %. Obwohl koaxiale Kreisflächen zwischen Wandlerelement und Anpassungskörper üblich sind, kann die abgewandte Hauptfläche des Anpassungskörpers gegebenenfalls auch eine davon abweichende Kontur aufweisen, insbesondere, wenn der Durchmesser größer als der des Wandlerelementes ist.
Eine andere Variationsmöglichkeit besteht darin, den Durchmesser der auf die Wandlerfläche gebondeten Fläche des Anpassungskörpers geringfügig kleiner oder größer als die piezokeramische Wandler­fläche zu machen. Für gewisse Frequenzen und Wandlerdurchmesser bringt dies in Kombination mit der oben genannten Formung eine günstige Beeinflussung des Schallkeulenprofils.
Although these nodes have so far been influenced and minimized by a protruding ring structure of the λ / 4 adapter body, the invention has recognized that the radial vibration modes in the adapter body are very sensitive to the reflection boundary conditions on the lateral peripheral edge of the adapter body. This has the corresponding effect that the vibrations of the ultrasonic transducer can be significantly influenced by small changes in the diameter of the main surface of the adapter body, based on the diameter of the piezoceramic transducer element, and small changes in shape of the peripheral wall of the adapter body.
Frequency, modulus of elasticity and Poisson transverse number therefore influence the precise shape of the lateral peripheral wall, the configuration being such that knots form in the Amplitude diagram of the vertical vibration can be avoided. In the simplest configuration, the side line of the peripheral surface of the adapter body is a straight line that diverges or converges, so that the diameter of the main surface of the adapter body deviates slightly from the main surface of the piezoceramic transducer element. For example, with a diameter of 30 mm of the transducer element, the diameter of the main surface of the adapter body facing away from the transducer element can be 32 mm. Depending on the ratio of the thickness of the adapter body to the diameter of the transducer element, slightly positive or slightly negative curved side lines are also advantageous in order to achieve a relatively centered high sound pressure.
The change in the diameter of the main surface of the adapter body compared to the transducer surface, which is assumed to be circular, is suitably in the range from 4% to 15%, especially around 6% to 10%. Although coaxial circular surfaces between the transducer element and the adapter body are common, the main surface of the adapter body facing away from it may also have a different contour, especially if the diameter is larger than that of the transducer element.
Another possible variation is to make the diameter of the surface of the adapter body bonded to the transducer surface slightly smaller or larger than the piezoceramic transducer surface. For certain frequencies and transducer diameters, this, in combination with the above-mentioned shaping, has a favorable influence on the sound beam profile.

Um die Nebenkeulen bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallwand­ler noch besser beeinflussen zu können, scheint es äußerst vorteilhaft zu sein, einem erfindungsgemäßen, kegelstumpf­förmigen Ultraschallwandler mit minimalem Luftabstand oder Zwischenabstand einen äußeren Ringwandler gleicher Dicke zu­zuordnen. Hierbei besteht der Ringwandler aus einem ringarti­gen, piezokeramischen Wandlerelement mit einem Innendurchmes­ser geringfügig größer als der größte Durchmesser des inneren Anpassungskörpers. Beim Ringwandler ist auf dem Wandlerelement ein ringzylindrischer λ/4-Anpassungskörper aufgebondet, der üblicherweise streng zylindrisch ist.In order to be able to influence the side lobes even better in the ultrasonic transducer according to the invention, it seems to be extremely advantageous to assign an external ring transducer of the same thickness to a truncated cone-shaped ultrasonic transducer according to the invention with a minimal air gap or spacing. Here, the ring transducer consists of a ring-like, piezoceramic transducer element with an inner diameter slightly larger than the largest diameter of the inner adapter body. The ring converter is on the converter element a ring-cylindrical λ / 4 adapter body is bonded, which is usually strictly cylindrical.

Obwohl ein derartiger Ringwandler bereits für sich gesehen Vorteile im Vergleich zu Wandlern nach dem Stand der Technik bietet, eignet er sich besonders zur besseren Abstimmung der Abstrahlungscharakteristik des gesamten Ultraschallwandlers. So kann bei gleicher Hauptfläche ein mit einem Ringwandler kombinierter Ultraschallwandler, im Vergleich zur Hauptfläche eines alleinigen kegelstumpfförmigen Ultraschallwandlers, durch ein anderes Phasen- und Betragsverhältnis zwischen den beiden Wandlern, eine ganz gezielte Beeinflussung der Nebenkeulen her­beigeführt werden. So ist es möglich, die problematischen Ne­benkeulen noch stärker zurückzudrängen, als dies bei reinen kegelstumpfförmigen Wandlern sowie bei den oben genannten be­kannten Lösungen möglich ist. Andererseits eröffnen sich so­gar Ausführungsformen, z.B. auf der einen Seite des Schall­keulenprofils gewollt ein breites Schallfeld mit intensiven Nebenkeulen zu erreichen, während auf der anderen Seite die Nebenkeulen so gut wie nicht vorhanden sind.Although such a ring transducer offers advantages in itself compared to transducers according to the prior art, it is particularly suitable for better matching the radiation characteristics of the entire ultrasonic transducer. For example, with the same main area, an ultrasound transducer combined with a ring transducer, in comparison to the main area of a single truncated cone-shaped ultrasound transducer, can have a very specific influence on the side lobes by means of a different phase and magnitude ratio between the two transducers. This makes it possible to push back the problematic side lobes even more than is possible with pure truncated cone-shaped transducers and with the known solutions mentioned above. On the other hand, even embodiments open up, e.g. on one side of the sound lobe profile wanted to reach a wide sound field with intense side lobes, while on the other side the side lobes are almost non-existent.

Die Erfindung wird nachstehend im Vergleich mit dem Stand der Technik anhand einiger Ausführungsbeispiele noch näher erläu­tert. Es zeigen:

  • Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein schematisch dargestell­tes Ultraschallwandlerelement nach dem Stand der Technik mit zylindrischem Aufbau;
  • Fig. 2a ein entsprechendes Schallkeulenprofil des Wandlers nach Fig. 1, wobei für den nachfolgenden Vergleich von gleicher Frequenz, Leistung und gleichem Durch­messer eines piezokeramischen Wandlerelementes aus­gegangen wird;
  • Fig. 2b ein Amplitudendiagramm des Wandlers nach Fig. 1 über dessen Radius;
  • Fig. 3a einen Axialschnitt durch einen Ultraschallwandler mit Beschwerungsring;
  • Fig. 3b ein Schallkeulenprofil des Wandlers nach Fig. 3a;
  • Fig. 3c ein entsprechendes Amplitudendiagramm des Wandlers nach Fig. 3a;
  • Fig. 4a einen Axialschnitt durch einen Ultraschallwandler nach dem Stand der Technik mit λ/2-Anpassungskör­per;
  • Fig. 4b ein Schallkeulenprofil des Wandlers nach Fig. 4a;
  • Fig. 4c ein Amplitudendiagramm des Wandlers nach Fig. 4a über seinen Radius;
  • Fig. 5a einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler in schematischer Darstellung;
  • Fig. 5b das Schallkeulenprofil des Wandlers nach Fig. 5a bei gleicher Frequenz und Leistung wie in den voraus­gehenden Beispielen;
  • Fig. 5c ein Amplitudendiagramm der Vertikal- bzw. Dicken­schwingung des Wandlers nach Fig. 5a über den Radius des Anpassungskörpers;
  • Fig. 6 ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Ultra­schallwandlers im Axialschnitt;
  • Fig. 6a das Amplitudendiagramm des Wandlers nach Fig. 6;
  • Fig. 7a einen Axialschnitt durch ein Beispiel einer Kombina­tion eines kegelstumpfförmigen Wandlers mit einem Ringwandler;
  • Fig. 7b die Draufsicht auf den Wandler nach Fig. 7a;
  • Fig. 7c das Schallkeulenprofil des Wandlers nach Fig. 7a, 7b und
  • Fig. 7d das Amplitudendiagramm dieses Wandlers.
The invention is explained in more detail below in comparison with the prior art using a few exemplary embodiments. Show it:
  • Figure 1 is an axial section through a schematically illustrated ultrasonic transducer element according to the prior art with a cylindrical structure.
  • FIG. 2a shows a corresponding sound lobe profile of the transducer according to FIG. 1, the same frequency, power and the same diameter of a piezoceramic transducer element being assumed for the subsequent comparison;
  • 2b shows an amplitude diagram of the transducer according to FIG. 1 over its radius;
  • 3a shows an axial section through an ultrasound transducer with a weighting ring;
  • 3b shows a sound lobe profile of the transducer according to FIG. 3a;
  • 3c shows a corresponding amplitude diagram of the transducer according to FIG. 3a;
  • 4a shows an axial section through an ultrasonic transducer according to the prior art with a λ / 2 adaptation body;
  • 4b shows a sound lobe profile of the transducer according to FIG. 4a;
  • 4c shows an amplitude diagram of the transducer according to FIG. 4a over its radius;
  • 5a shows an axial section through an ultrasonic transducer according to the invention in a schematic representation;
  • 5b shows the sound lobe profile of the transducer according to FIG. 5a with the same frequency and power as in the preceding examples;
  • 5c shows an amplitude diagram of the vertical or thickness vibration of the transducer according to FIG. 5a over the radius of the adaptation body;
  • 6 shows a further example of an ultrasonic transducer according to the invention in axial section;
  • 6a shows the amplitude diagram of the transducer according to FIG. 6;
  • 7a shows an axial section through an example of a combination of a truncated cone-shaped converter with a ring converter;
  • 7b shows the top view of the converter according to FIG. 7a;
  • 7c, the sound lobe profile of the transducer according to FIGS. 7a, 7b and
  • 7d shows the amplitude diagram of this transducer.

Der in Fig. 1 im Axialschnitt schematisch dargestellte Ultra­schallwandler besitzt ein kreiszylindrisches, plattenförmiges piezokeramisches Wandlerelement 2, auf dem ein λ/4-Anpas­sungskörper 3 aufgebracht ist. Die Hauptabstrahlungsrichtung dieses Wandlers 1 verläuft senkrecht zur oberen Hauptfläche des Anpassungskörpers. Der Anpassungskörper 3 ist dabei im Durchmesser genau dem Wandlerelement 2 angepaßt.The ultrasound transducer shown schematically in axial section in FIG. 1 has a circular cylindrical, plate-shaped piezoceramic transducer element 2, on which a λ / 4 adaptation body 3 is applied. The main radiation direction of this transducer 1 is perpendicular to the upper main surface of the adaptation body. The adapter body 3 is precisely adapted to the transducer element 2 in diameter.

In Fig. 2a ist das bei einer bestimmten Frequenz und Anre­gungsenergie und einem bestimmten Durchmesser des Wandlers 1 von z.B. 30mm erhaltene Schallkeulenprofil in horizontaler Ebene dargestellt. Dieses Schallkeulenprofil weist eine rela­tiv breite, zentrale Hauptkeule 5 auf, die zu beiden Seiten von mehreren starken Nebenkeulen 6 begleitet ist.In Fig. 2a this is at a certain frequency and excitation energy and a certain diameter of the transducer 1 of e.g. 30mm obtained sound beam profile shown in the horizontal plane. This sound lobe profile has a relatively wide, central main lobe 5, which is accompanied on both sides by several strong side lobes 6.

Fig. 2b zeigt das Amplitudendiagramm des Wandlers 1 nach Fig. 1, wobei die Amplitude A auf der Ordinate als Funktion des Radius R des Wandlers 1 aufgetragen ist. Unter Amplitude A wird hierbei die Vertikal- bzw. Dickenschwingung des Wandlers 1 verstanden. In diesem Amplitudendiagramm der Fig. 2b wird sehr eklatant das Problem erkennbar, mit dem bei dem bekann­ten Wandler zu rechnen ist. Dieses Problem besteht darin, daß zum äußeren Radius R hin eine Phasenumkehr der Amplitude mit Knotenpunkt vorliegt, so daß nach dem Schnittpunkt mit der Abszisse R eine negative Amplitude bis zum maximalen Radius vorhanden ist. Diese Phasenumkehr der Amplitude, die flächen­mäßig als Knotenring beim Wandler 1 auftritt, bringt daher keinerlei Schallabstrahlung in Richtung der Hauptabstrahlungs­richtung, sondern stellt einen Energieverlust dar, der auf alle Fälle vermieden werden kann.FIG. 2 b shows the amplitude diagram of the transducer 1 according to FIG. 1, the amplitude A being plotted on the ordinate as a function of the radius R of the transducer 1. Amplitude A is understood to mean the vertical or thickness vibration of the transducer 1. In this amplitude diagram of FIG. 2b, the problem can be recognized very blatantly, which is to be expected in the known transducer. This problem consists in that there is a phase inversion of the amplitude with the node towards the outer radius R, so that after the point of intersection with the abscissa R there is a negative amplitude up to the maximum radius. This phase reversal of the amplitude, which occurs in terms of area as a node ring in the transducer 1, therefore does not produce any sound radiation in the direction of the main radiation direction, but rather represents a loss of energy which can be avoided in any case.

Ein weiterer Ultraschallwandler 8 nach dem Stand der Technik ist in Fig. 3a gezeigt. Dieser entsprechend der DE-PS 25 51 492 aufgebaute Wandler 8 weist einen λ/4-Anpassungskörper 9 auf, der durchmessermäßig wesentlich über das piezoelektrische Wandlerelement 2 hinausragt. Auf der Unterseite des Anpassungs­körpers 9 ist dabei ein Beschwerungsring 10 vorhanden.
Der Amplitudenverlauf des Wandlers 8 nach Fig. 3a ist in der Fig. 3c dargestellt. Die maximale, normierte Amplitude A ist in einer senkrechten Richtung zum Mittelpunkt des Wandlers 8 anzutreffen. Zum Außenbereich des Radius dieses Wandlers 8 hin tritt etwa nach zwei Drittel des Radius R eine Phasen­umkehr mit negativer Amplitude auf, wobei diese negative Amplitude zum Umfangsrand erneut in eine positive Amplitude übergeht. In der Diagrammdarstellung kennzeichnet die senk­rechte Linie am rechten Außenbereich den maximalen Radius bzw. die Umfangsfläche des Wandlers 8.
Auch bei diesem Wandler 8 nach Fig. 3a sind daher zwangsläufig Energieverluste vorhanden, wie man es dem Amplitudendiagramm entnehmen kann.
A further ultrasonic transducer 8 according to the prior art is shown in Fig. 3a. This transducer 8, constructed in accordance with DE-PS 25 51 492, has a λ / 4 adapter body 9, which projects significantly beyond the diameter of the piezoelectric transducer element 2. A weighting ring 10 is present on the underside of the adaptation body 9.
The amplitude profile of the transducer 8 according to FIG. 3a is shown in FIG. 3c. The maximum, standardized amplitude A can be found in a direction perpendicular to the center of the transducer 8. Towards the outside of the radius of this transducer 8, a phase inversion with a negative amplitude occurs approximately after two thirds of the radius R, this negative amplitude again having a positive amplitude to the peripheral edge transforms. In the diagram, the vertical line on the right outer area indicates the maximum radius or the circumferential surface of the transducer 8.
In this converter 8 according to FIG. 3a there are therefore inevitable energy losses, as can be seen from the amplitude diagram.

Das Schallkeulenprofil gemäß Fig. 3b ist durch eine relativ schmale Zentralkeule und zwei stark ausgeprägte Nebenkeulen gekennzeichnet.The sound lobe profile according to FIG. 3b is characterized by a relatively narrow central lobe and two pronounced side lobes.

Die Fig. 4a zeigt ebenfalls im Axialschnitt schematisch den weiteren Ultraschallwandler gemäß der DE-PS 34 01 979. Dieser Wandler 12 umfaßt ebenfalls einen λ/4-Anpassungskörper 13, der im radial über das Wandlerelement 2 hinausragenden Bereich 14 als λ/2-Schwinger ausgebildet ist. Das Schallkeulenpro­fil nach Fig. 4b zeigt eine den 10°-Bereich ausfüllende Haupt­keule und mehrere, jedoch kleinere Nebenkeulen, wobei der Un­terschied zur Fig. 3b auf die Amplitudenverteilung (Fig. 4c) zurückzuführen ist.4a also shows schematically in axial section the further ultrasonic transducer according to DE-PS 34 01 979. This transducer 12 also comprises a λ / 4 adapter body 13, which acts as a λ / 2 oscillator in the region 14 projecting radially beyond the transducer element 2 is trained. The sound lobe profile according to FIG. 4b shows a main lobe filling the 10 ° range and several, but smaller, side lobes, the difference from FIG. 3b being due to the amplitude distribution (FIG. 4c).

Das in Fig. 4c gezeigte Amplitudendiagramm des Wandlers 12 nach Fig. 4a hat neben dem Hauptmaximum ein weiteres Neben­maximum etwa im Bereich von zwei Drittel des maximalen Radius. Zwischen diesen Maximas ist ein Minimum mit nahezu keiner Amplitudenschwingung vorhanden. Im Randbereich jedoch ist auch hier eine wenn auch geringe Phasenumkehr festgestellt worden.The amplitude diagram of the transducer 12 according to FIG. 4a shown in FIG. 4c has, in addition to the main maximum, a further secondary maximum in the region of two thirds of the maximum radius. Between these maximas there is a minimum with almost no amplitude oscillation. In the edge area, however, a phase reversal, albeit slight, has also been found here.

In Fig. 5a ist im Axialschnitt ein erfindungsgemäßer Ultra­schallwandler 20 vom Grundprinzip her dargestellt. Auf dem piezokeramischen Wandlerelement 21, das z.B. kreisförmig ist, ist ein λ/4-Anpassungskörper 22 aufgebondet. Die Fläche 23 des Wandlerelementes 21 entspricht dabei der unteren Fläche 24 des Anpassungskörpers. In Hauptstrahlungsrichtung S ist die seitliche Umfangsfläche divergierend gestaltet. Hierdurch er­ gibt sich eine hornähnliche bzw. kegelstumpfartige Gestalt für den Anpassungskörper, dessen dem Wandlerelement 21 abge­wandte Hauptfläche 25 einen etwas größeren Durchmesser auf­weist als das Wandlerelement 21. Im Beispiel nach Fig. 5a ist die Seitenlinie 26 daher eine Gerade, die z. B. eine Haupt­fläche 25 mit einem Durchmesser von etwa 32 mm mit der Haupt­fläche 24 von etwa 30 mm verbindet.5a, an ultrasonic transducer 20 according to the invention is shown in basic section in axial section. A λ / 4 adaptation body 22 is bonded onto the piezoceramic transducer element 21, which is circular, for example. The surface 23 of the transducer element 21 corresponds to the lower surface 24 of the adapter body. In the main radiation direction S, the lateral peripheral surface is designed to diverge. This way he there is a horn-like or frustoconical shape for the adaptation body, the main surface 25 facing away from the transducer element 21 has a somewhat larger diameter than the transducer element 21. In the example according to FIG. 5a, the side line 26 is therefore a straight line which, for. B. connects a main surface 25 with a diameter of about 32 mm with the main surface 24 of about 30 mm.

Abgestimmt auf eine entsprechende Frequenz, eine Materialkon­stante und den Wandlerdurchmesser erhält man ein Amplituden­diagramm für die Dicken- bzw. vertikalen Schwingung gerade unter Berücksichtigung möglicher Überlagerungen durch die Radialschwingung, wie es in Fig. 5c dargestellt ist. Auf der Ordinate A ist dabei die Amplitude, bezogen auf die Maximal­amplitude 1,0 in Abhängigkeit vom Radius R aufgetragen. Der rechte Unstetigkeitswert auf der Abszisse R kennzeichnet da­her die Amplitude am äußeren Rand der vorderen in Abstrahlungs­richtung liegenden Hauptfläche 25 des Anpassungskörpers 22.Matched to a corresponding frequency, a material constant and the transducer diameter, an amplitude diagram for the thickness or vertical vibration is obtained, taking into account possible superimpositions by the radial vibration, as shown in FIG. 5c. The ordinate A shows the amplitude, based on the maximum amplitude 1.0, as a function of the radius R. The right discontinuity value on the abscissa R therefore characterizes the amplitude at the outer edge of the front main surface 25 of the adaptation body 22 lying in the radiation direction.

Entsprechend dem Amplitudendiagramm nach Fig. 5c liegt daher das Maximum der Vertikalamplitude etwas radial beabstandet von der Achse des Wandlers bzw. der Hauptstrahlungsrichtung, wobei jedoch ein Knotenpunkt oder eine Phasenumkehr der Amplitude aufgrund der Konfiguration der seitlichen Umfangsfläche in Ab­stimmung mit dem Durchmesser der vorderen Hauptfläche vermie­den wird. Die Amplitudenverteilung nähert sich daher der einer starren Kolbenschwingung.According to the amplitude diagram according to FIG. 5c, therefore, the maximum of the vertical amplitude lies somewhat radially spaced from the axis of the transducer or the main radiation direction, but avoiding a node or a phase reversal of the amplitude due to the configuration of the lateral peripheral surface in coordination with the diameter of the front main surface becomes. The amplitude distribution therefore approaches that of a rigid piston vibration.

Im Schallkeulenprofil nach Fig. 5b erreicht man durch diese Gestaltung des λ/4-Anpassungskörpers 22 nach Fig. 5a eine zentrale Keule 28 im Bereich eines 10°-Strahlungswinkels von der Hauptstrahlungsrichtung 0 mit zwei kleineren, aber doch bemerkbaren Nebenkeulen 29.In the sound lobe profile according to FIG. 5b, this configuration of the λ / 4 adaptation body 22 according to FIG. 5a achieves a central lobe 28 in the region of a 10 ° radiation angle from the main radiation direction 0 with two smaller, but nevertheless noticeable side lobes 29.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Wandlers wird daher vor al­len Dingen im Vergleich mit dem Wandler nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 und aus dem Vergleich der entsprechenden Schalldiagramme erkennbar. Durch die minimal geänderte Gestal­tungskonfiguration des Wandlers 20 nach Fig. 5a, die jedoch eine Knotenbildung für die Vertikalschwingung weitestgehend ausschließt, erhält man eine wesentlich intensivere, gebün­deltere Hauptkeule 28 im Vergleich mit der zentralen Haupt­keule 5 nach Fig. 2 des Standes der Technik.The advantage of the transducer according to the invention can therefore be seen above all in comparison with the transducer according to the prior art according to FIG. 1 and from the comparison of the corresponding sound diagrams. The minimally changed design configuration of the transducer 20 according to FIG. 5a, which, however, largely excludes the formation of a node for the vertical oscillation, results in a much more intensive, more concentrated main lobe 28 in comparison with the central main lobe 5 according to FIG. 2 of the prior art.

Im Vergleich zu den anderen Wandlern 8 bzw. 12 der Fig. 3a und 4a erreicht man daher bei sehr kleinem Wandlerdurchmes­ser, was im Hinblick auf den Wirkungsgrad und die Kosten sehr beachtlich ist, einen äußerst effizienten Ultraschallwandler.In comparison to the other transducers 8 and 12 of FIGS. 3a and 4a, an extremely efficient ultrasound transducer is therefore achieved with a very small transducer diameter, which is very remarkable in terms of efficiency and cost.

In Fig. 6 ist ein weiterer, erfindungsgemäßer Ultraschallwand­ler 40 dargestellt. Dieser Wandler 40 ist durch ein piezo­keramisches Wandlerelement 21 gekennzeichnet, auf dem ein λ/4-Anpassungskörper aufgebracht ist, der im Axialschnitt eine konvex verlaufende Seitenlinie der Umfangsfläche auf­weist.
Dieselbe Dicke in Strahlungsrichtung für Wandler und Anpas­sungskörper und auch die gleiche Resonanzfrequenz wie im Beispiel nach Fig. 5a vorausgesetzt, ist dieser positiv ge­krümmte, konvexe Verlauf der Seitenfläche dann zweckmäßig, wenn das Wandlerelement z.B. einen kleineren Durchmesser, von etwa 20 mm anstatt von 30 mm hat. Der Verlauf der Vertikal­amplitude ist in Fig. 6a dargestellt. Hierbei rückt das Ampli­tudenmaximum weiter an den Randbereich. Jedoch wird auch hier eine Amplitudenumkehr vermieden.
6 shows another ultrasound transducer 40 according to the invention. This transducer 40 is characterized by a piezoceramic transducer element 21, on which a λ / 4 adapter body is applied, which has a convex side line of the peripheral surface in axial section.
The same thickness in the radiation direction for the transducer and adapter body and also the same resonance frequency as assumed in the example according to FIG. 5a, this positively curved, convex profile of the side surface is expedient if the transducer element has a smaller diameter, for example, of about 20 mm instead of 30 mm Has. The course of the vertical amplitude is shown in Fig. 6a. Here the amplitude maximum moves further to the edge. However, an amplitude reversal is also avoided here.

Im Hinblick auf eine weitere Verbesserung im Sinne eines Zurückdrängens der Nebenkeulen hat sich die in Fig. 7a darge­stellte Kombination eines Wandlers nach Fig. 5a mit einem Ringwandler 52 erwiesen. Der gesamte Wandler 50 besteht daher aus einem inneren Kompaktwandler 51 mit Wandlerelement 21 und λ/4-Anpassungskörper 22. Minimal beabstandet durch einen Luftspalt 56 oder auch einen anderen Materialspalt wird die­ser Wandler 51 durch einen Ringwandler 52 umgeben. Dieser Ringwandler 52 besitzt selbst ein ringförmiges, piezoelektri­sches Wandlerelement 54, auf dem mit gleicher Stärke ein λ/4-Anpassungskörper in z.B. ringzylindrischer Form aufge­bracht ist. Da diese beiden Wandler 51 und 52 phasen- und be­tragsmäßig gleich angesteuert, aber auch unterschiedlich angesteuert werden können, eröffnen sich hier Möglichkeiten, das Schallkeulenprofil in hervorragender Weise zu beeinflus­sen. Eine Form dieser Beeinflussung zeigt das in Fig. 7c dar­gestellte Schallkeulenprofil, in dem z.B. die in Fig. 5b noch relativ bemerkbaren Nebenkeulen 29 in die nunmehr sehr kleinen Nebenkeulen 59 zurückgedrängt sind.With regard to a further improvement in the sense of pushing back the side lobes, the combination of a converter according to FIG. 5a with a ring converter 52 shown in FIG. 7a has proven. The entire converter 50 therefore exists from an inner compact transducer 51 with transducer element 21 and λ / 4 adapter body 22. Minimally spaced apart by an air gap 56 or another material gap, this transducer 51 is surrounded by a ring transducer 52. This ring transducer 52 itself has an annular, piezoelectric transducer element 54, on which a λ / 4 adapter body, for example in the form of a ring cylinder, is applied with the same thickness. Since these two transducers 51 and 52 can be controlled equally in terms of phase and amount, but can also be controlled differently, this opens up possibilities for influencing the sound beam profile in an excellent manner. One form of this influence is shown in the sound lobe profile shown in FIG. 7c, in which, for example, the side lobes 29, which are still relatively noticeable in FIG. 5b, are pushed back into the now very small side lobes 59.

In Fig. 7d ist das Amplitudendiagramm der vertikalen Schwin­gung der Wandlerkombination 50 nach Fig. 7a dargestellt. Im Vergleich mit dem Amplitudendiagramm nach Fig. 5c verschiebt sich daher das Maximum etwas näher an die Ordinate. Anderer­seits erhält man auch im Außenbereich des Radius eine positive Amplitude, die etwa im Bereich des halben Radius eine Z-förmi­ge Übergangsstelle mit anschließendem Minimum der Amplituden­schwingung aufweist. Zum maximalen Radius hin nimmt die Ampli­tudenschwingung dann im positiven Bereich zu.
Dieses Beispiel nach Fig. 7d zeigt, daß in der Kombination eines Kompaktwandlers 51 mit einem Ringwandler 52 entspre­chend der Fig. 7a ein breites Spektrum gewünschter Amplituden­verläufe für die Vertikalschwingung und damit auch für das Schallkeulenprofil einstellbar ist.
FIG. 7d shows the amplitude diagram of the vertical vibration of the transducer combination 50 according to FIG. 7a. In comparison with the amplitude diagram according to FIG. 5c, the maximum therefore shifts somewhat closer to the ordinate. On the other hand, one also obtains a positive amplitude in the outer region of the radius, which has a Z-shaped transition point with a subsequent minimum of the amplitude oscillation approximately in the region of half the radius. The amplitude oscillation then increases in the positive range towards the maximum radius.
This example according to FIG. 7d shows that in the combination of a compact transducer 51 with a ring transducer 52 according to FIG. 7a, a broad spectrum of desired amplitude profiles for the vertical vibration and thus also for the sound beam profile can be set.

Die Erfindung eröffnet daher einen neuen Weg, auch bei sehr kleinen Ultraschallwandlern eine äußerst effektive Leistung bzw. Reichweite mit teilweise steuerbaren Nebenkeulen errei­chen zu können.The invention therefore opens up a new way of being able to achieve extremely effective power or range with partially controllable side lobes even with very small ultrasonic transducers.

Claims (9)

1. Ultraschallwandler
mit einem zur Abstrahlung von Ultraschallschwingungen anregbaren piezoelektrischen Wandlerelement, das auf seiner Hauptfläche im wesentlichen in Richtung der Haupt­abstrahlung einen λ/4-Anpassungskörper aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dem Wandlerelement (21) zugewandte Fläche (24) des λ/4-Anpassungskörpers (22,40) im wesentlichen der Hauptfläche (23) des Wandlerelementes entspricht, und daß die dem Wandlerelement (21) abgewandte Fläche (25) des λ/4-Anpassungskörpers eine zur Hauptfläche des Wandlerelementes geringfügig unterschiedliche Fläche, insbesondere einen dazu geringfügig abweichenden Durch­messer, aufweist.
1. Ultrasonic transducer
with a piezoelectric transducer element which can be excited to emit ultrasonic vibrations and which has a λ / 4 adaptation body on its main surface essentially in the direction of the main radiation,
characterized by
that the surface (24) of the λ / 4 adapter body (22, 40) facing the transducer element (21) essentially corresponds to the main surface (23) of the transducer element, and that the surface (25) of the λ / 4 facing away from the transducer element (21) 4-adaptation body has a slightly different surface from the main surface of the transducer element, in particular a slightly different diameter.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die die Flächen (24,25) des Anpassungskörpers (22) verbindende Seitenlinie (26) im Schnitt divergierend vorgesehen ist.
2. Ultrasonic transducer according to claim 1,
characterized by
that the side line (26) connecting the surfaces (24, 25) of the adaptation body (22) is provided diverging in section.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die die Flächen (24,25) des Anpassungskörpers (22) verbindende Seitenlinie konvergierend vorgesehen ist.
3. Ultrasonic transducer according to claim 1,
characterized by
that the side line connecting the surfaces (24, 25) of the adaptation body (22) is provided in a converging manner.
4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die die Flächen (24,25) des Anpassungskörpers (22) verbindende Seitenlinie eine Gerade ist oder einen kon­kaven oder konvexen Verlauf aufweist.
4. Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 3,
characterized by
that the side line connecting the surfaces (24, 25) of the adaptation body (22) is a straight line or has a concave or convex shape.
5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Durchmesser der Flächen (24,25) des Anpas­sungskörpers (22) um 4% bis 15%, insbesondere um 6% bis 10%, unterscheiden.
5. Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 4,
characterized by
that the diameters of the surfaces (24, 25) of the adaptation body (22) differ by 4% to 15%, in particular by 6% to 10%.
6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die abgewandte Fläche (25) des Anpassungskörpers (22) von der Hauptfläche (23) des Wandlerelementes (21) eine abweichende Kontur aufweist.
6. Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 5,
characterized by
that the facing surface (25) of the adaptation body (22) from the main surface (23) of the transducer element (21) has a different contour.
7. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Außenring radial angrenzend an die vordere Stirn­fläche des Anpassungskörpers (22) vorgesehen ist, der selbst als Wandler (52) mit piezoelektrischen Ringwand­lerkörper (54) und einem Ringanpassungskörper (55) glei­cher Dicke wie der zentrale λ/4-Anpassungskörper auf­gebaut ist.
7. Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 6,
characterized by
that an outer ring is provided radially adjacent to the front end face of the adapter body (22), which itself is constructed as a transducer (52) with a piezoelectric transducer body (54) and a ring adapter body (55) of the same thickness as the central λ / 4 adapter body.
8. Ultraschallwandler nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die piezoelektrischen Wandlerelemente (21,54) vonein­ander getrennt sind und insbesondere eine phasen- und betragsmäßig unterschiedliche Ansteuerung aufweisen.
8. Ultrasonic transducer according to claim 7,
characterized by
that the piezoelectric transducer elements (21, 54) are separated from one another and, in particular, have different controls in terms of phase and amount.
9. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dem Wandlerelement zugewandte Fläche (24) des λ/4-Anpassungskörpers (22,40) geringfügig kleiner oder größer als die Hauptfläche (23) des Wandlerelementes ist.
9. Ultrasonic transducer according to claim 1,
characterized by
that the surface (24) of the λ / 4 adaptation body (22, 40) facing the transducer element is slightly smaller or larger than the main surface (23) of the transducer element.
EP19890106914 1989-04-05 1989-04-18 Ultrasonic transducer Withdrawn EP0390959A3 (en)

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