190757. lajstromszámú szabadalom • Piezoelektromos kerámiával működő ultrahang átalakító
3 190757 I A találmány tárgya piezoelektromos kerámiával megvalósított unimorf ultrahang átalakító, amely adóként és vevőként levegőben való alkalmazásra szolgál és unimorf típusú, fegyverzettel borított kerámialemezt és annál vastagabb fémlemezt tartalmazó piezokerámia átalakítóval van ellátva. A szilárd és cseppfolyós közegben működő ultrahang átalakítókkal ellentétben a levegőben működtetett átalakítók hajlítási rezgéseket végeznek. Ezekkel jobb illesztés érhető el a szilárd és cseppfolyós anyagokénál jóval kisebb akusztikus impedanciájú levegőhöz. A levegőben működtetett ultrahang átalakítók ismert megoldásaiban két hasonló vastagságú lemezt ragasztanak össze. Ha mindkettő piezokerámiából készült, akkor bimorf elemnek, ha az egyik piezokerámia, a másik fémes anyagú, akkor unimorf elemnek szokás az ultrahang átalakító aktív elemét nevezni. Unimorf elemes átalakító ismerhető meg a 3 849 679 és a 3 638 052 ljsz. USA szabadalmi leírásokból, valamint az Arch, of Acoust. folyóirat 1982/7 számában közölt .An improved piezoelectric ceramic transducer" című cikkből (szerzői V.N. Bindal és Chandra). Működésének lényege, hogy a kerámiára feszültséget kapcsolva az igyekszik méreteit megváltoztatni, a ráragasztott másik i lemez azonban ebben akadályozza, nyiróerők ébrednek, így a lemez meghajlik. Az összeragasztott lemezpár mechanikai rezonanciafrekvenciájával megegyező frekvenciájú váltófeszültséget kapcsolva a piezokerámiára, az jóval nagyobb amplitúdójú rezgéseket végez, így levegőben jóval nagyobb hangnyomást eredményez, mintha például csak vastagsági rezgések keletkeztek volna. Az ismert unimorf elemes ultrahang átalakítók hátrányos jellemzője, hogy a rezonanciafrekvencia a méretektől függően erősen változhat, és az átalakító hatásfoka nem mindig megfelelő. A találmány célja a fenti hátrányos jellemzők kiküszöbölése. Felismertük, hogy a kitűzött cél elérésének eszköze az unimorf elem méretarányainak megfelelő választása. A szakirodalom, így az előbb említett cikk, vagy N.T. Adelman és Y. Stavsky .Flexural-extensíonal behaviour of composite piezoelectric circular plates ' című, a J. Acoust. Soc. Am. folyóirat 1980 márciusi számának 819. oldalán megjelent cikke arról tanúskodik, hogy a kerámia és a fém vastagságának arányát szokásosan a 0,35...0,5 értéktartományban választották meg, vagyis a fémlemez vastagsága legfeljebb háromszorosa a kerámialemezének. Felismerésünk szerint-az ultrahang átalakító kialakításának legelőnyösebb módja az olyan unimorf elem, amelyben a kerámia vastagsága kicsi a fémlemez vastagságához képest. A találmány feladata a felismerés hasznosításával az eddigieknél jobban kézbentartható rezonanciafrekvencióval jellemzett, nagy hatásfokú, unimorf elemmel működő ultrahang átalakító létrehozása. A kitűzött feladat megoldására olyan piezoelektromos kerámiával működő ultrahang átalakítót hoztunk létre, amely unimorf típusú, fegyverzettel borított kerámialemezt és annál vastagabb fémlemezt tartalmazó piezokerámia átalakítóval van ellátva, és a találmány szerint a fémlemez vastagsága legalább ötszöröse a kerámialemezének. Az adó rezonanciafrekvenciáján nagy pontossággal működő oszcillátor készíthető oly módon, hogy a kerámialemez egyik oldalán a fegyverzet két egymástól elválasztott részre van osztva, amelyek visszacsatoló áramkörbe vannak csatlakoztatva. . A találmány szerinti ultrahang átalakítóban a vékony kerámialemez alkalmazása révén három területen jelentkeznek előnyök. A gyártás 6orán az átalakító rezonanciafrekvenciája nagy pontossággal, könnyebben állítható be az ismert megoldásokhoz képest. Ebben ugyanis a fémlemez méretazórása jelenti az értékek szórásét, vagyis olyan paraméter, amely a gyártás során nagy pontossággal tartható. így például tárcsa alak esetén a rezonanciafrekvencia egyenesen arányos a tárcsa vastagságával és fordítva az átmérő négyzetével. A fémlemez mechanikai jósági tényezője nagyobb, mint egy kerámiáé, nagyobb jóságú, kisebb sávszélességű, jobb hatásfokú átalakítók készíthetők, ha az átalakító nagyrészt fémből áll. Végül a vékony kerámialemez alkalmazása két előnyt eredményez. Mivel a kerámia méretváltozása arányos a rákapcsolt elektromos térerővel, a szokásos tranzisztoros és integrált áramkörök meghajtó, illetve érzékelő elektronikáknál alkalmazott kis feszültségekkel is viszonylag nagy méretváltozás érhető el a kialakult nagyobb térerő következtében. A kis kerámiavastagságból adódó nagyobb kapacitás pedig kisebb impedanciájú adót illetve vevőt eredményez; tehát például a vevő kevésbé lesz zavarérzékeny. A vevő feszültségérzékenysége (az adott hangnyomásra keletkezett feszültség egyenesen arányos a kerámia vastagságával) kisebb lesz ugyan, de ez a feszültség jobban terhelhető a vevő kisebb impedanciája következtében: a vevő teljesítményérzékenysége tehát nem csökken. A találmány tárgyát a továbbiakban példakénti kiviteli alak kapcsán, a csatolt rajzra hivatkozással ismertetjük részletesen. A rajzon az 1. ábra a találmány szerinti átalakító kitakarólemezzel kialakított változatának vázlata, a 2. ábra a találmány szerinti átalakító rezonáns kúppal kialakított változatának vázlata, a 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
