Luftschallwandler

Bei einem Luftschallwandler handelt es sich um einen speziellen Ultraschallwandler (Wandler, der elektrische Energie in Ultraschallenergie wandelt und umgekehrt → Reziprozität) für Anwendungen in Luft und Gasen. Da Gase eine sehr geringe Dichte haben, kann Schallenergie nur über eine große Bewegungsamplitude (Schallschnelle) einer Membran übertragen werden. Daher werden spezielle Bauformen eines Ultraschallwandlers benötigt, um effizient Ultraschall bzw. Luft-Ultraschall zu erzeugen. Am effizientesten geschieht dies über eine dünne Membran, die zu Schwingungen angeregt wird. Hierfür gibt es mehrere Standardverfahren:

1. Man wählt eine dünne, metallbeschichtete Kunststoffmembran, die als eine von zwei Kondensatorplatten arbeitet und mit einem Gitter als zweite Kondensatorplatte einen Kondensator bildet. Durch Anlegen einer hohen Wechselspannung entsteht zwischen den beiden Platten ein elektrisches Wechselfeld, welches die Membran in Schwingungen versetzt. Man erhält damit einen elektrostatischen Wandler (gleiches Prinzip wie das des Kondensator-Mikrofons, nur umgekehrt). Nachteil: Es ist eine hohe Vorspannung erforderlich und der Wandler ist empfindlich gegen Umgebungseinflüsse (Feuchtigkeit, Nässe...).

2. Man wählt eine PVDF-Folie. Diese hat piezoelektrische Eigenschaften und kann durch Anwendung des Piezoeffektes in Schwingungen versetzt werden. Nachteil: Eine geringe Empfindlichkeit im Empfangsmodus.

3. Man bildet einen Biegeschwinger aus einer dünnen Metallmembran und einer aufgeklebten Piezokeramik. Dieses Verfahren wird z. B. bei Parkhilfen in PKW eingesetzt. Nachteil: Die Frequenzbandbreite dieses Wandlers ist sehr gering. Sie beträgt nur wenige Prozent (6 dB-Bandbreite um 3 - 5 %)

4. Man kombiniert verschiedene Schwingungsmodi (Biegeschwinger und Dickenschwinger), indem die Membran gleichzeitig als Anpassschicht ausgeführt ist (Viertelwellenlängen-Anpassschicht: Die Dicke der Membran entspricht dem Viertel der Schallwellenlänge im Membranmaterial. Dadurch entstehen beim Übergang des Schalls zwischen den unterschiedlichen Medien keine störenden Interferenzen). Das Membranmaterial muss in diesem Fall eine sehr niedrige akustische Impedanz aufweisen, um noch einigermaßen effektiv Schallenergie in das Gas übertragen zu können. D. h. die Dichte und die Longitudinal-Schallgeschwindigkeit müssen sehr gering sein. Dies wird z. B. erreicht, indem man Composite-Materialien aus einer Epoxid-Matrix mit eingebetteten Glashohlkugeln verwendet.