Ultraschallwandler

Abstract

 Ultraschallwandler (20) mit einem zur Abstrahlung von Ultraschallschwingungen anregbaren piezoelektrischen Wandlerelement (21). Während man bisher den Weg einer Überdimensionierung des Anpassungskörpers (22) in Durchmesser-Richtung betrieb, geht man bei der Erfindung den Weg, durch Anpassung der seitlichen Umfangsfläche des Anpassungskörpers einen effektiven, kleinstmöglichen Durchmesser des Anpassungskörpers (22) zu erreichen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler gemäß Oberbe­griff des Anspruchs 1.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] Das Schallkeulenprofil gemäß Fig. 3b ist durch eine relativ schmale Zentralkeule und zwei stark ausgeprägte Nebenkeulen gekennzeichnet.

[0022] 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.

[0023] 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.

[0024] 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.

[0025] 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.

[0026] 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.

[0027] 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.

[0028] 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.

[0029] 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.

[0030] 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.

[0031] 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.

[0032] 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.

[0033] 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.

Ansprüche

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.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die die Flächen (24,25) des Anpassungskörpers (22) verbindende Seitenlinie (26) im Schnitt divergierend vorgesehen ist.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die die Flächen (24,25) des Anpassungskörpers (22) verbindende Seitenlinie konvergierend vorgesehen ist.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Zeichnung