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Neuartige Ultraschallwandler - Wandlungsprinzipien, Fertigungstechniken und Anwendungsfelder

 
: Gebhardt, W.

Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung e.V. -DGZfP-, Ausschuß für Ultraschallprüfung:
Modernisierung in der ZfP mit Ultraschall zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Prüfaussagen. CD-ROM : Seminar des FA Ultraschallprüfung ; 3.-4. November 2003, IZFP Saarbrücken
2003 (DGZfP-Berichtsbände 87-CD)
ISBN: 3-931381-52-8
pp.9-17
Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung, Fachausschuss Ultraschallprüfung (Seminar) <2003, Saarbrücken>
German
Conference Paper
Fraunhofer IZFP ()
Ultraschallwandler; Piezoelektrizität

Abstract
Die in den letzten Jahren entwickelten neuartigen piezoelektrischen Materialien erlauben die Realisierung spezieller und leistungsfähiger Ultraschallwandler. Zu diesen Piezo-Materialien zählen insbesondere die
· Piezo-Komposit-Dickenschwinger
· mit einer Sol-Gel-Technik hergestellten Dünnschicht-Biegeschwinger
Die Piezo-Komposite werden vorzugsweise in der 1-3-Struktur hergestellt (die piezoelektrischen Keramikstäbchen oder Keramikfasern sind parallel zur Dickenschwingungsrichtung ausgerichtet). Die Zwischenräume sind mit einem Polymer ausgegossen. Durch Variation des Volumenverhältnisses Keramik/Polymer können der elektro-mechanische Koppelkoeffizient, die Dielektrizitätskonstante und die akustische Impedanz des Piezo-Komposits in weiten Grenzen verändert werden. Entscheidend für den Bau hochfrequenter Spezialwandler für Anwendungen in der zerstörungsfreien Prüfung (zfP) und der medizinischen Diagnostik sind zudem die geringe laterale mechanische Kopplung und die leichte Verformbarkeit dieser Piezo-Komposite.
Für zfP- und medizinische Anwendungen wurde im Rahmen eines vom BMBF geförderten Leitprojekts ("Adaptronik") mit Faser-Kompositen ein 256-elementiger Array-Wandler entwickelt. Dieser Wandler erlaubt die elektronische dreidimensionale Steuerung des Schallfeldes (Schwenken und Fokussieren in allen Raumrichtungen). Die Elektrodenstruktur des Arrays ist waffelartig ausgebildet mit 16 Spalten und 16 Reihen. Die Einzelelemente haben die Abmessungen 2,4 mm x 2,4 mm; die Mittenfrequenz wurde zu 2,25 MHz gewählt.
Ebenfalls im Rahmen des Adaptronik-Projekts wurde eine Ring-Array-Endoskopiesonde für die Rohrinnenprüfung (Wanddickenmessung, Nachweis von Umfangsrissen) realisiert. Der segmentierte piezoelektrische Ringschwinger ist in die Grundfläche eines zylinderförmigen Trägers eingelassen. Der Träger fungiert gleichzeitig als Dämpfungskörper. Die einzelnen Ringsegmente werden mittels einer Multiplexerschalung nacheinander angeregt. Das Schallbündel eines Schwingersegments breitet sich zunächst in Rohrachsenrichtung aus und wird dann an der z. B. 450 geneigten Fläche eines Umlenkkörpers auf die Rohrwand umgelenkt.
Zur Erzeugung und zum Empfang von schmalbandigen Ultraschallimpulsen sehr hoher Energie wurden neuartige Plattenwellenwandler entwickelt. Die Wandler können für Frequenzen zwischen 100 kHz und 5 MHz ausgelegt werden.
Zur Abstrahlung hochenergetischer Luftschallimpulse mit Frequenzen bis 200 kHz wurden neuartige Biegewandler-Arrays entwickelt. Diese bestehen im Wesentlichen aus einer 3 mm dicken Metallplatte, die als dichtes Lochfeld ausgebildet ist. Auf diese Platte ist eine dünne Biegewandlerfolie aufgebracht. Lochfeldstruktur und Elektrodenstruktur der Folie sind deckungsgleich. Die Arbeitsfrequenz des Wandler-Arrays wird durch den Lochdurchmesser und die Dicke des Biegewandlers festgelegt. Die Abmessungen des Gesamt-Arrays bestimmen die Schallfeldparameter.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-21965.html