CN103868556A - 超声波换能器和用于产生和/或吸收超声波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波换能器和用于产生和/或吸收超声波的方法。其中提出了一种具有用于产生和/或吸收超声波的振动体（12）和消音体（14）的超声波换能器（10），其具有在振动体（12）背面布置的、由具有与振动体（12）的材料相匹配的声阻抗的第一材料制成的第一部分体（16）和在所述第一部分体（16）上布置的、由具有高的声学消音的第二材料制成的第二部分体（18）。在此，所述第一部分体（16）是圆锥形的并且以底面布置在所述振动体（12）上。

Description

超声波换能器和用于产生和/或吸收超声波的方法

根据权利要求1或15的前序部分，本发明涉及一种超声波换能器和一种用于产生和/或吸收超声波的方法。

超声波换能器具有能振动的膜，其通常是陶瓷的。借助该膜，基于压电效应，电信号被转换成超声波，反之亦然。根据不同的应用，超声波换能器作为声源、验声器或这两者工作。

超声波换能器的一种应用是根据差异行进时间方法测量管道中液体的流量。对此，一对超声波换能器被在纵向上互相错位地装配在管道外周上，其与沿着在超声波换能器之间展开的测量路径的液流成横向地、相互地发射和记录超声波信号。通过液体传输的超声波信号根据不同的运动方向被液流加速或减速。由此得出的行进时间差结合几何体积大小用于计算液体的平均流速。由横断面积得出体积流量（Volumenstrom）或流量（Durchfluss）。为了更精确地测量，能分别为多条测量路径配备一对超声波换能器，以便在多于一个点上获取液流横断面。

对于这种流量测量，超声波必须被换能器耦入液体。对此，超声波换能器被规则地装配到管道的内腔中，从而使得所述膜直接与液体相接触。然而，以这种方式浸入的换能器会受到流体和其压力和温度的影响，并且可能由此被损坏。反过来，换能器可能干扰液流，并由此损害测量精度。

在EP1378272B1中建议，将产生超声波的元件安装在壁的外侧上。在这种情况下，所述膜成为壁的一部分，该壁在相应的区域中具有比其余的壁明显要小的壁厚。

代替单独地在换能器和液体之间转移，对于以这种方式装配的换能器，超声波必须同样克服多个具有声阻抗跳跃的临界面，从陶瓷到达管壁并且进一步到达流体。这种阻抗跳跃导致在介质边界处的波反射，这在时域上强烈地影响待传输脉冲的波形并且降低辐射功率。进一步的干扰通过在膜背面出射的超声波的反射进入流体产生。

现有技术已知，在膜和介质之间的阻抗跳跃通过匹配层（MatchingLayer）吸收。对于窄带系统，通过λ/4的厚度比能够相对简单地获得好的匹配。背面辐射功率也因此被保持较小。但是因为按照定义λ/4层取决于波长，所以适用于宽带系统的不同厚度的匹配层是非常难以实现的。

传统的超声波换能器在背面上应用机械的消音体（衬垫），以便在实际的波束方向上抑制反射。如果在膜和吸波材料之间只有小的声阻抗跳跃，则正好保持小的背面反射。因此，要寻找一种相应的材料，其同时具有接近膜的声阻抗和强的声学消音。但是这种材料属性在单种物质中不可重复找到。

已知的解决方法在于，应用声学硬质的金属所组成的复合材料和声学软质的环氧树脂，所述复合材料用于在膜上进行阻抗匹配，而所述环氧树脂用于消音。在这种情况下，将期望的阻抗和消音通过体积混合比进行组合。这样做的缺点在于制造，因为为了避免由形成气泡所导致的空气夹杂的构造必须在高压下费时地生产。此外，对理论上必需的阻抗和消音可再现地调整混合比也有实际困难。而恰好在组合高阻抗和高消音时，所需的层厚度也快速变大并且达到厘米数量级。因此，这种复合层不再适用于具有整体尺寸在毫米范围的紧凑的系统。其它的缺点在于，复合材料中树脂材料的热变化，其粘性导致超声波换能器的传输特性会因老化造成改变。温度也影响在不同的匹配层相互之间的粘接和在膜上的粘接。在高液体温度和有效热耦合的情况下（例如在金属管道中）这特别是有问题的。

从US2005/00775571A1已知一种具有消音体的、用于在声能和电能之间转换的超声波换能器，所述消音体具有吸音表面。该表面是在金属块和消音的环氧树脂体之间的临界面。所述临界面形成由峰和谷组成的形式，其中超声波通过多次反射消失。然而，这种被建议用于医疗技术的超声波换能器并不适合于具有高测量精度的紧凑的流量计。

因此，本发明的任务是，提出一种具有被改进的反射特性的紧凑的超声波换能器。

这个任务通过根据权利要求1或15的一种超声波换能器和一种用于产生和/或吸收超声波的方法来解决。本发明的基本思路的出发点在于，超声波的背面反射借助于消音体（衬垫）来抑制。这种消音体具有第一（与振动体的声阻抗相匹配的）材料和具有高的声学消音的第二材料。两种材料形成自己的部分体

也就是说不混合成复合体，即使所述部分体的材料的某些污染物通常可接受地停留。消音效果基于几何形状产生，即通过使用圆锥形的第一部分体并且将其底面布置在振动体上的方法来产生。由此在圆锥体内侧面上的临界面提供超声波，而该侧面对于正向散射而言保持足够倾斜，这是在圆锥体中发生多次反射的基础。只要在多次反射之后，超声波重新返回振动体的方向上，则大部分的声能在第二部分体中被吸收。

本发明具有的优点在于，好的消音特性被实现。仅少量的超声波被叠加地从背面向前反射，并所以特别是在一个超声波脉冲之后大多数时候还出现短的后续振荡（Nachschwingen）。与用于大的带宽的匹配层相反，能够实现超声波换能器的匹配，而消音体不需要太大厚度。因此，具有简洁结构的宽带超声波换能器被完成。同时，制造更简单并且更成本合适，因为与匹配层和复合材料相反，既不需要复杂的制造过程也不需要复合的材料。

消音体优选是圆柱形的，因此第二部分体具有圆柱形的外轮廓和用于容纳第一部分体的圆锥形的空腔。圆柱形在这里特别是被理解为狭义的正圆柱体。第二部分体在此是具有空心锥形的圆柱体，该空心锥形形成第一部分体配合件，以便在其中容纳第一部分体。因此，共同产生出圆柱形的、容易操作的超声波换能器。

振动体、第一部分体和第二部分体优选地通过压力沿着圆锥体的轴线组合在一起，特别是借助作用在第二部分体上的弹力，或在第二部分体上旋紧的壳体盖组合在一起。超声波换能器由于消音体能由圆锥形第一部分体和互补的第二部分体非粘结地装配在一起，并且基于几何形状依据相应的压力自动地定心。这种单纯通过按压力的制造是极端简单的并且由于非粘接的连接导致例如针对温度变化的大的耐久性。

圆锥体的侧面与底面优选地成在60°和70°之间的角。60°以上的角确保在超声波击中临界面时正向散射进一步进入圆锥内并因此出现多次反射。但是，对于过大的、不在70°以下的角，波模耦合在界面上不再能够很好地支持消音。此外，结构高度也随被所夹的角增大。特别好的消音在65°角得出。此外，该角度足以满足具有一定容差的最佳值，因为几度的偏差不会产生太强的效果。

第一部分体优选地具有圆柱形基座，该圆柱形基座具有比圆锥体的底面更大的直径。第一部分体还形成一圆锥体，该圆锥体略微收缩，位于稍大的基座上，并且在该处留出环形的凸缘（Absatz）。该凸缘是有用的，因为通过这种方式互补的第二部分体不必有环形的锋利边缘，而是能具有相应于所述凸缘的一定的厚度。因此，这种第二部分体能够根据应用的材料被容易地制造。

优选地，第二部分体包围圆锥体，而不包围第一部分体的圆柱形基座。因此直到基座的高度是由第一材料形成的，而对余下的高度则通过第二部分体形成消音体的外壳。由此，第一材料能从外部接触。此外，基座区域中的临界面在任何情况下都不会被超声波击中，因此在这里第二部分体不会提供对于消音的贡献。

振动体的材料优选是陶瓷。这种材料是可用的并且带来必需的压电属性。例如，具有范围为35MRyl的声阻抗的PZT（锆钛酸铅）被应用。

第一材料优选是黄铜，特别是CuZn39Pb2。黄铜有与陶瓷匹配的声阻抗。此外，黄铜提供在制造技术上的优点，因为其能相对简单地通过车削产生所需的圆锥形。

第二材料优选是塑料，特别是PTFE。塑料对超声波产生强消音。PTFE（聚四氟乙烯）恰好是高消音的，并因此允许小的结构高度，并且同时是力学稳定的和耐高温的。

振动体优选地具有在与背面相对的正面上的第一电极和在背面上的第二电极，其中第一电极以一部分区域绕过振动体直到背面并且在该处发生接触，并且第二电极通过第一部分体接触。正面在直接在另外一种材料上装配超声波换能器时是不可达到的。所以在这个实施例中，第一电极可从背面达到并且可接触。通常为金属的第一部分体与第二电极在任何情况下都处于连接状态，因此第二电极在某个地方能与第一部分体接触。

第一部分体优选地具有留空（Aussparung）。这个留空至少部分地相应于第一电极的被围绕的部分，以便使得能够通过连接电缆进行接触并且避免两个电极通过金属的第一部分体产生短路。

在一种有益改进中，提供了一种用于测量管道中液体的流速的超声波流量测量装置，其具有可在管道中安装的并且以这种方式形成管道的一部分的测量体，该测量体具有至少一个在其中布置的一对根据本发明的超声波换能器，以及用来基于从液流发射和接收的超声波的行进时间差确定流速的评估单元。待测量的液体例如是具有类似水的声阻抗的液体，例如在具有高精度和卫生要求的食品工业、药学或类似的应用中使用的液体。对此，管道通常由持久的和好清洁的不锈钢制成，因此测量体优选是由钢制造，以便在管道中进行匹配。在另一方面，钢有高的温度传导性，因此根据本发明的超声波换能器设计方案无需粘接是特别有利的。在第一部分体具有留空的实施例中，该留空优选地被布置在管壁里。因为所述留空负责用于非对称的超声波发射，并且对于所述布置，干扰被这种非对称效应减到最小程度。

测量体优选地具有薄壁的区域，在其上超声波换能器能够以如下方式从外装配，即薄壁的区域与振动体一起作为超声波换能器的振动膜起作用。也就是说，超声波换能器将薄壁的管道部分与作为振动膜的振动体共同使用。因此，超声波换能器能被特别简单地装配。同时超声波流量测量装置向内保持完全平滑，并且不在超声波换能器上或在超声波换能器和管道内壁之间的接缝上提供产生沉淀物可能性。这种沉淀物特别是在卫生应用中被避免。反过来，超声波换能器也能够针对管道中的影响受到保护。恰好是在卫生领域中，10至15巴的压力和大约至140°的温度在蒸汽清洗时被容易地实现。

在薄壁的区域和振动体之间优选地布置绝缘层，特别是由聚对二甲苯或二氧化硅（SiO₂）制成的绝缘层。振动体相对于导电的管道电绝缘，这对于检测压电产生的信号是必需的。聚对二甲苯通过喷涂过程使得能够实现仅以微米为单位的层厚度，其既保持电绝缘，但又保持没有其他在声学上的影响。对于二氧化硅，以CVD过程也可实现非常薄的层厚度并且足够的电绝缘性。

根据本发明的方法能以类似的方式被改进并且表现出与此类似的优点。这种有利的特征在紧随独立权利要求的从属权利要求中以示例性的方式而非封闭式的方式进行了说明。

在下文中，本发明的进一步的特征和优点示例性地借助实施例并参照附图被详细说明。在附图中示出的是：

图1为超声波换能器以及在其消音体中多次反射时示例性的声音路径的示意性剖视图；

图2a为具有圆柱形基座的超声波换能器的示意性剖视图；

图2b为超声波换能器的示意性剖视图，所述超声波换能器包括带有凸缘的圆柱形基座；

图3a为具有两个电极的振动体的俯视图，所述电极通过背面与振动体接触；

图3b为具有用于接触振动体电极的留空的消音体的圆锥形部分体的三维视图；以及

图4为具有一对超声波换能器的流量计的示意性剖视图。

图1以示意性剖视图示出超声波换能器10。在此，超声波换能器的其他特征（如连线和信号处理）以及例如通过声学激发并且产生电子的超声波换能器的压电基本原理，或反之通过超声波振动产生电的基本原理，被作为已知前提并且不被进一步详述。

超声波换能器10具有由压电材料制成的振动膜或振动体12，例如陶瓷，该陶瓷比如是具有范围为35MRyl的声阻抗的PZT（锆钛酸铅）。为超声波设置的发射方向垂直于振动体12的正面并且如图1所示是指向下的。当超声波被重新向下反射时，超声波在相对的背面上可能导致干扰。所以在振动体12的背面上布置消音体（衬垫），其作为整体具有附图标记14。

由两种不同材料的组合实现背面的匹配。对此，第一部分体16，例如由金属如黄铜并且特别是CuZn39Pb2所组成的部分体被布置在振动体12的背面并且这样相对着振动体12的压电陶瓷封闭。基于匹配地选出的第一部分体16的材料只得出非常少的阻抗跳跃，也就是说背面发射的波几乎完全从振动体12的陶瓷被退耦。

在第一部分体16上，布置由比如塑料并且特别是PTFE（聚四氟乙烯）的材料所制成的第二部分体18。第二部分体18的材料有高的声学消音，而同时具有比第一部分体的材料小得多的声阻抗，例如对于PTFE而言为4.4MRayl。材料的高消音确定超声波换能器的结构长度，因为波幅沿着传播方向被指数式地衰减。

为在振动体中将来自背面的消音体14的第一部分体16和第二部分体18之间的临界面的背面反射保持较小，提供在几何形状上对于第一部分体16和第二部分体18的两种材料之间尽可能大的临界面。对此，第一部分体16被设计为圆锥形并且在其基底上与振动体12的背面夹成在60°和70°之间的角。

这种特别的几何形状导致，来自第一部分体16的声波不是垂直的，而是以不同于全反射的特定角度，倾斜地打在第二部分体18表面上。因此在第二部分体18的材料中获得比垂直射入更高的透射。其原因是在纵向和横向的波模（Moden）之间的耦合，因为对于在这里被用作振动体12的厚振动器而言纵向波模更重要。

这种在消音体14的圆锥形结构中的波模耦合通过图1中的箭头表明。通过倾斜入射，从第一部分体16出射的波在第一部分体16和第二部分体18之间的临界面上沿着传播，也就是说沿着临界面发生的多次反射将声波更深入地散播到所形成的消音楔形体或消音圆锥体中。在这种情况下，该效应基本上依赖于临界面的倾角，该倾角必须大于60°以便保证正向散射。射入声波的第一反射处的字母d和s表示纵向和横向波模。仅仅是不进入第二部分体16的吸收器中的纵向波模有助于产生干扰，在多次反射的其他反射位置上通过箭头表示。

第一部分体16的楔形形状或圆锥形形状与第二部分体18的互补形状，它们共同用于形成楔形或圆锥形的临界面，其前提条件首先是大的临界面，其次是进入第二部分体18的消音材料的波模散射。最后，为干扰作出贡献的垂直出射波因此被相当显著地削弱。

正如上文所述，在第一部分体16的基底和振动体12的背面之间的角应是至少60°。另一方面，波模耦合的理论波模表明，在65°范围中实现了明显减少的背面散射的能量，因此65°的角是最佳值。该最佳值能够，但不必精确地遵守，例如角度范围为63°-67°或64°-66°同样是合适的。根据波模耦合的理论波模，除60°的下限之外，关于该角能得出70°的上限，其中更大的角相对于所要求的结构高度而言可能是不利的。对于其他的材料，角度范围和最佳角能改变，其中根据所要求的匹配，材料具有类似的声阻抗并且因此也要求类似的角。所以，所给出的角度也适用于其他材料，尽管所给出的角度是关于特殊的材料组合得出的。

不同于在被确定的波长范围上调整的通常的匹配层，消音体14对于宽带超声波换能器也允许好的消音，例如具有50kHz-20MHz带宽的或对于中央频率10MHz而言6dB带宽△f为10MHz的超声波换能器。

图2a以剖视图示出超声波换能器10的另一实施例。在此，在这里和下文中，相同的标号表示相同或彼此相应的特征。超声波换能器10的图示对于优选实施例而言是成比例的，其中本发明不限于这个尺寸比例。外部尺寸，就是说整个优选是圆柱形的超声波换能器10的结构高度和直径在此例如是一厘米至几毫米。

按照图2a的超声波换能器10与图1所示的超声波换能器10的不同之处在于第一部分体16的圆柱形基座20。这个基座20优选是不被第二部分体18围绕。这提供了在制造技术上的优势，即防止振动体12和第二部分体18之间的直接接触并且使第一部分体16可能从外部接触。

图2b示出超声波换能器10的另一实施例。与根据图2a所示的超声波换能器10不同，基座20具有比第一部分体16的圆锥形部分更大的半径。由此得出环形的凸缘22。由此避免了互补的第二部分体18必须被制造具有清晰的环形的、关于第一部分体16的边。这例如对于由PTFE制造的第二部分体18而言，在制造技术上可能是难以实现的。

为了绕振动体12行进或获得通过超声波激发实现的信号，电极必须被设置成与其接触。然而，超声波换能器10在一优选实施例中以振动体12的正面直接安放在管道上，正如在下文中结合图4被进一步解释的。振动体12的正面因此是不可达到的。

图3a示出振动体12的实施例的俯视图，所述振动体12在其背面上具有两个电极24、26。其中，用于正面的电极26在接近振动体12的小的区域中在其背面上被围绕。

图3b示出在与按照图3a的电极布置相配的实施例中的第一部分体16的三维视图。因此连接电缆的固定能够例如通过焊点在被围绕的电极26上实现，在第一部分体16中设置留空28，就是说在相应于电极26的区域中切割出楔形形状。背面的另外一个电极24在留空28以外的整个表面上与第一部分体16接触，因此在这里连接电缆能在某个地方被焊接在第一部分体16上。这种接触实现在不被第二部分体18围绕的基座20上，或者相应的透孔被装在用于连接线缆的第二部分体18中。另外，在按照图3b的第一部分体16的三维视图中，根据图2b所述的凸缘22可被再一次很好地辨认出是在相对于圆锥体的被略有扩大的基座20上。

图4示出用于测量管道104中的液体102的流速或流量的流量计100的示意性剖视图，其具有一对根据本发明的超声波换能器10a-b。流速的确定例如使用上文所述的行进时间的方法来实现，即通过在一对超声波换能器10a-b之间对液流发射和获取超声波信号时，在未示出的评估单元中评估行进时间。

流量计100具有测量体106，其在接合点108处被插入管道并且因此在安装状态中最终形成管道104的一部分。在测量体106中设置凸起或薄壁的部分区域110，在其上装配超声波换能器10a-b。薄壁的部分区域110因此同时变成流体侧的匹配层和振动系统的一部分。薄壁的部分区域110保持足够厚，以便经受住期望的通道内部压力（例如15巴），并且优选是薄的，以使得其支持系统的宽带性。

因为金属的薄壁的部分区域110与振动体12用作换能器膜，则振动体12的压电陶瓷和薄壁的部分区域110的直接接触必须通过电绝缘层32来避免。然而实际上，所有电绝缘材料具有比压电陶瓷明确少得多的声阻抗，并且由此导致干扰的阻抗跳跃。如果绝缘层32实现尽可能小的厚度，则这个效应被减少到最小程度。为此，特别是聚对二甲苯或SiO₂是适合的，因此其在几微米层厚时已经能够绝缘数百伏特的电压。所述层厚能够容易地在喷涂或VCD过程中通过涂覆绝缘层32来控制，并且能被实现在毫米范围中，因此整体保持尽可能小的有效的阻抗跳跃。

管道104例如有大约10cm的额定宽度并且应用于卫生领域，其由不锈钢组成并且具有42MRayl的声阻抗，该声阻抗略高于振动体12的大约35MRayl的声阻抗。与此相对地，液体通常地有明显更小的声阻抗，例如对于水和水基液体而言是1.5MRayl。

由振动体12、第一部分体16和第二部分体18分层地构成的超声波换能器10a-b被从后方，就是说在圆锥轴方向上进入振动体12，借助弹簧和/或通过拧紧的具有螺纹（特别是具有细螺距）的盖30压在薄壁的通道区域上。因此完全不需要粘接。两个部分体16、18通过圆锥形的或楔形的结构自动地互相对齐。

Claims (15)

1.一种超声波换能器（10），其具有用于产生和/或吸收超声波的振动体（12）和消音体（14），所述消音体具有在所述振动体（12）背面布置的、由具有与所述振动体（12）的材料相匹配的声阻抗的第一材料制成的第一部分体（16）和在所述第一部分体（16）上布置的由具有高的声学消音的第二材料制成的第二部分体（18），

其特征在于，

所述第一部分体（16）是圆锥形，并且以底面布置在所述振动体（12）上。

2.如权利要求1所述的超声波换能器（10），

其中，所述消音体（14）是圆柱形，该圆柱形是通过所述第二部分体（18）具有圆柱形的外轮廓和用于容纳所述第一部分体（16）的圆锥形空腔的方式来实现的。

3.如权利要求1或2所述的超声波换能器（10），

其中振动体（12）、第一部分体（16）和第二部分体（18）通过压力沿着所述圆锥体的轴线组合在一起，特别是借助作用在所述第二部分体（18）上的弹力，或在所述第二部分体（18）上旋紧的壳盖（30）组合在一起。

4.如前述权利要求中任一项所述的超声波换能器（10），

其中所述圆锥体的侧面与底面夹成在60°和70°之间的角，特别是大约65°的角。

5.如前述权利要求中任一项所述的超声波换能器（10），

其中所述第一部分体（16）具有圆柱形基座（20），所述圆柱形基座具有比所述圆锥体的底面更大的直径。

6.如权利要求5所述的超声波换能器（10），

其中所述第二部分体（18）包围所述圆锥体，然而不包围所述第一部分体（16）的圆柱形基座（20）。

7.如前述权利要求中任一项所述的超声波换能器（10），

其中所述振动体（12）的材料是陶瓷。

8.如前述权利要求中任一项所述的超声波换能器（10），

其中所述第一材料是黄铜，特别是CuZn39Pb2。

9.如前述权利要求中任一项所述的超声波换能器（10），

其中所述第二材料是塑料，特别是PTFE。

10.如前述权利要求中任一项所述的超声波换能器（10），

其中所述振动体（12）具有在与所述背面相对的正面上的第一电极（26）和在所述背面上的第二电极（24），其中所述第一电极（26）以一部分区域绕过所述振动体（12）直到背面并且在该处发生接触，并且所述第二电极（24）通过所述第一部分体（16）接触。

11.如前述权利要求中任一项所述的超声波换能器（10），

其中所述第一部分体（16）具有留空（28）。

12.一种用于测量管道（104）中的液体（102）的流速的超声波流量测量装置（100），其具有能够在所述管道（104）中安装的并且以这种方式形成所述管道（104）的一部分的测量体（106），所述测量体具有至少一个在其中布置的一对如前述权利要求中任一项所述的超声波换能器（10a-b），以及用来基于从液流发射和接收的超声波的行进时间差确定流速的评估单元。

13.如权利要求12所述的超声波流量测量装置（100），

其中所述测量体（106）具有薄壁的区域（110），在所述薄壁的区域（110）上所述超声波换能器（10a-b）能够从外装配，使得所述薄壁的区域（110）与所述振动体（12）一起作为超声波换能器（10a-b）的振动膜起作用。

14.如权利要求12或13所述的超声波流量测量装置（100），

其中在所述薄壁的区域（110）和所述振动体（12）之间布置有绝缘层（32），特别是由聚对二甲苯或SiO₂制成的绝缘层。

15.一种用于借助振动体（12）产生和/或吸收超声波的方法，其中超声波在所述振动体（12）的背面上通过消音体（14）得到抑制，所述消音体具有由与所述振动体（12）的材料相匹配的声阻抗的第一材料制成的第一部分体（16）和在所述第一部分体（16）上布置的、由具有高的声学消音的第二材料制成的第二部分体（18），

其特征在于，

从所述消音体（14）反射回所述第一部分体（16）的超声波通过在构成为圆锥形的、以底面布置在所述振动体（12）上的第一部分体（16）和围绕所述圆锥体的侧面的第二部分体（18）之间的界面上多次反射以及通过在所述第二部分体（18）中的吸收而被至少部分地抑制。

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