Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Ultraschallwandler bereitzustellen, mit dem die Nachteile herkömmlicher Ultraschallwandler überwunden werden und der insbesondere einen Betrieb an der Grenze zwischen einem unter erhöhtem Druck stehenden Medium (im folgenden: Druckmedium) und einem Umgebungsmedium mit geringerem Druck ohne eine mechanische Gefährdung und ohne eine unerwünschte Dämpfung des Oszillatorelements ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung und/oder Erfassung von Ultraschallschwingungen in einem Druckmedium bereitzustellen, mit dem die Nachteile der herkömmlichen Techniken überwunden werden.

Diese Aufgaben werden durch Vorrichtungen und Verfahren mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 oder 17 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Vorrichtungsbezogen basiert die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, bei einem druckfesten Ultraschallwandler das Oszillatorelement in einem Gehäuse anzuordnen, das ein inkompressibles Innenmedium enthält, wobei an dem Gehäuse mindestens eine Druckausgleichseinrichtung vorgesehen ist, mit der ein externer Druck aus dem Druckmedium auf das Innenmedium und damit auf das Oszillatorelement übertragbar ist. Vorteilhafterweise wird das Oszillatorelement allseitig mit dem erhöhten Druck des äußeren Druckmediums beaufschlagt, so dass mechanische Verspannungen des Oszillatorelements vermieden werden. Der erhöhte Druck wird je nach Aufbau des Ultraschallwandlers einerseits über die die Wand des Gehäuses, an der das Oszillatorelement angeordnet ist, und andererseits über das Innenmedium oder beidseitig über das Innenmedium auf das Oszillatorelement übertragen. Vorteilhafterweise bildet das Gehäuse eine Druckgrenze zwischen dem Druckmedium und dem Umgebungsmedium. Da sich das Oszillatorelement im Gehäuse im Kräftegleichgewicht befindet, kann das Gehäuse hin zum Druckmedium mit einer ausreichend dünnen Gehäusewand gebildet werden, so dass unerwünschte Schalldämpfungen vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird somit die oben erläuterte Druckproblematik durch die Kombination eines zum Beispiel flexiblen Gehäuses mit dem inkompressiblen Innenmedium überwunden. Durch diese Kombination wird am Ort des Oszillatorelements ein Druckgleichgewicht hergestellt. Das Druckgleichgewicht zeichnet sich zwar durch einen erhöhten statischen (insbesondere hydrostatischen) Druck aus. Die üblicherweise als Oszillatorelemente verwendeten piezoelektrischen Keramiken sind jedoch vorteilhafterweise gegen erhöhte, allseitige hydrostatische Drucke ausreichend stabil.

Wenn die Druckausgleichseinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch mindestens einen flexibel deformierbaren Wandbereich des Gehäuses gebildet wird, können sich Vorteile für einen besonders kompakten Aufbau des Ultraschallwandlers ergeben. Des Weiteren ist der Innenraum des Gehäuses zum Druckmedium hin geschlossen, so dass das Innenmedium vom Druckmedium getrennt ist. Der flexibel deformierbare Wandbereich ist auf der Seite des Gehäuses vorgesehen, die im Betriebszustand zu dem Druckmedium weist. Der Wandbereich umfasst vorzugsweise eine Membran, die den Vorteil einer geringen Dicke und damit optimalen Druckübertragung vom Druckmedium auf das Innenmedium besitzt. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Membran aus Edelstahl oder einer Kunststofffolie (z. B. auf Epoxidharzbasis) besteht. Die Membran kann mindestens einen Deformationsabschnitt, wie zum Beispiel eine Sicke, einen Kragen oder eine Faltung aufweisen. Der Deformationsabschnitt kann Vorteile in Bezug auf die Stabilität der Trennung von Druck- und Innenmedien besitzen.

Wenn der flexibel deformierbare Wandbereich gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung durch einen flexiblen Balg gebildet wird, können sich Vorteile in Bezug auf ein besonders stabiles Gehäuse ergeben, das darüber hinaus besonders einfach an die verschiedensten Aufgaben angepasst werden kann.

Alternativ kann der Innenraum des Gehäuses zum Druckmedium hin offen sein, so dass das äußere Druckmedium in das Gehäuse eindringen und das Innenmedium bilden kann. Für diese Ausführungsform der Erfindung, die für die Verwendung des Ultraschallwandlers in inkompressiblen, flüssigen Medien eingerichtet ist, umfasst die Druckausgleichseinrichtung mindestens eine Druckausgleichsbohrung im Gehäuse, durch die das Druckmedium in das Gehäuse eindringen kann.

Vorteilhafterweise kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung im Gehäuse ein Dämpfungskörper zur Dämpfung des Oszillatorelementes und rückseitiger Schallschwingungen und – reflektionen vorgesehen sein. Gemäß einer Variante der Erfindung kann der Dämpfungskörper durch das inkompressible Innenmedium gebildet sein, wobei sich in diesem Fall vorteilhafterweise ein besonders einfacher Aufbau des Ultraschallwandlers ergibt.

Wenn das inkompressible Innenmedium gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung flüssig ist, können sich Vorteile für eine zuverlässige allseitige Druckübertragung auf das Oszillatorelement ergeben. Das inkompressible Innenmedium umfasst zum Beispiel ein Öl (insbesondere zähes Hydrauliköl), das vorteilhafterweise stark schalldämpfende Eigenschaften besitzt und daher auch gut als Dämpfungskörper geeignet ist.

Alternativ kann das inkompressible Innenmedium durch einen Feststoff oder eine Kombination einer Flüssigkeit mit einem Feststoff gebildet werden. Die Feststofffüllung kann Vorteile beim Betrieb des Ultraschallwandlers besitzen, da das Risiko eines etwaigen Medienverlusts aus dem Gehäuse vermindert ist. Als Feststoff ist beispielsweise ein in der Form an das Innere des Gehäuses mit dem Oszillatorelement und ggf. dem Dämpfungskörper angepasster, ausgehärteter Kunststoff, z. B. ein ausgehärtetes, gefülltes Epoxidharz oder Polyurethan vorgesehen.

Gemäß einer weiteren Abwandlung der Erfindung kann auf der Außenseite des Gehäuses eine Adapterschicht vorgesehen sein, wie sie an sich zur Verbesserung der Schwingungseinkoppelung in das Druckmedium bekannt ist. Vorteilhafterweise kann die Adapterschicht wegen der dünnen Gehäusewand optimal an die jeweilige Aufgabe des Ultraschallwandlers angepasst werden.

Weitere Vorteile in Bezug auf die Stabilität des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers insbesondere bei hohen Drucken können sich ergeben, wenn das Gehäuse die Form eines Kreiszylinders besitzt.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Leitung oder ein Behälter für das unter erhöhtem Druck stehende Druckmedium, wobei die Leitung oder der Behälter mit mindestens einem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler ausgestattet ist.

Verfahrensbezogen basiert die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, beim Betrieb eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers zur Erzeugung und/oder Erfassung von Ultraschallschwingungen in einem Druckmedium, das durch eine Druckgrenze von einem Umgebungsmedium mit einem geringeren Druck getrennt ist, zunächst das Gehäuse mit dem Oszillatorelement derart zu positionieren, dass es einen Teil der Druckgrenze bildet und eine Vorderseite des Oszillatorelements zum Druckmedium hin gerichtet ist. Dabei wird wenigstens eine Rückseite des Oszillatorelements über die mindestens eine Druckausgleichseinrichtung des Gehäuses und das im Gehäuse angeordnete, inkompressible Innenmedium mit dem erhöhten Druck beaufschlagt, der im Druckmedium herrscht, so dass sich am Oszillatorelement ein allseitiges Druckgleichgewicht bildet. In dieser Situation wird das Oszillatorelement mit einer elektrischen Steuerspannung beaufschlagt und/oder am Oszillatorelement wird eine elektrische Signalspannung gemessen.