CN105612575B - 超声换能器 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的超声换能器(1)包括至少一个由压电材料制备的发射器(3)，该发射器(3)具有设置用于发射第一和第二超声束的、彼此相对的第一和第二发射表面(7、9)。所述换能器(1)至少包括第一和第二反射镜(11、13)，所述第一和第二反射镜(11、13)被安置为分别与第一和第二发射表面(7、9)相对，并且被配置为通过形成预定形状的反射束(FR)使得第一和第二超声束(F1、F2)反射回来。
Description
技术领域
本发明总体上涉及超声换能器。
更具体地，本发明涉及一种包括至少一个由可以将电信号转换为超声波的材料制备的发射器的超声换能器，所述发射器具有设置用于发射第一和第二超声束的、彼此相对的第一和第二发射表面。
背景技术
这样的换能器由EP 0147070已知，EP 0147070公开了两个发射表面中的一个以使吸音材料不破坏由前表面发射的有用束的方式覆盖有吸音材料，也称为背衬(backing)，所述吸音材料用于抑制构成发射器的材料的振动并捕获由发射器的后表面发射的声能。
这样的换能器由于其使用大量不同的材料而具有相对高的生产成本。此外，仅部分由发射器的振动所产生的声能被利用，另一部分在减振器中被消耗。
发明内容
在本文中，本发明旨在提供比较便宜并且就能量转换而言更加有效的超声换能器。
为此，本发明涉及前述类型的超声换能器，其特征在于，该超声换能器至少包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜被安置为分别与第一和第二发射表面相对，且以通过形成具有预定形状的反射束来将第一和第二超声束反射回来的方式配置。
因此，以如下方式使用由两个相对的发射表面发射的超声束，即对于供给到发射器的给定电功率，由该超声换能器产生的束的能量显著更高。
由于由发射器发射的所有声能集中在反射的超声束中，因此对于供应到发射器的相同水平的电能，可以获得灵敏度增强的超声换能器。
另一方面，不再需要提供紧靠两个发射表面之一的背衬，使得超声换能器的设计大大简化。换能器的制作因此更简单，从而使其生产成本降低。
传感器的再现性因此增强。其重要性在于，性能方面在传感器之间一致并且更加均一。实际上，在现有技术中，将背衬材料结合到发射器的后表面上是精细的操作。根据结合的质量，换能器的性能会相应地受到影响。
根据本发明的换能器实际上非常适合于在苛刻环境中运行。由于它不再如现有技术中那样包括一个堆叠在另一个顶部上的多个相当大的层，所以它显示出有利的温度性能。因此，作为由于材料的不同膨胀而引起的限制的结果，换能器失败的风险降低。
由于背衬已经被去除，所述换能器显示出良好的耐压能力。所述背衬通常由弹性体材料制备，因此在中度压力下显示出良好的抗压性。
根据本发明的换能器实际上非常适合于在照射条件下运行。实际上，其可能在完全没有任何弹性体材料的情况下制作。在现有技术背景下，背衬由弹性体材料制备。
发射器典型地由压电晶体制备。通过变型的方式，发射器由电致伸缩或磁致伸缩材料、或能够将电信号转换为超声波的任何其他材料制备。
本文术语“发射器”用于指换能器的有源元件，其功能是将电能转换为机械能。该有源元件是可逆的。其能够发射超声波，而且还能够接收超声波并将其转换为电信号。换句话说，换能器可以在某些时候作为超声发生器起作用，而在其他时候作为收集器模式的超声接收器起作用。
有利地，换能器包括发射器与其连接的壳箱。
所述壳箱具有限定第一反射镜和第二反射镜的两个反射表面，或者第一和第二反射镜连接到所述壳箱上。
在第一种情况下，由于换能器是构成反射镜的壳箱自身，而反射镜不是另外的连接部件，因此换能器的设计简单。
壳箱是例如由不锈钢制备的单元。通过变型的方式，壳箱由另一种金属合金或由陶瓷材料制备。在任何情况下选择显示出高声阻抗的材料，也就是说，与水的高反射系数。可供选择地，以呈现高速度的声传播的方式选择所述材料，使得对于给定反射镜角度，超过了纵波的临界角和横波的临界角(斯涅耳定律)。例如，在不锈钢镜和水中传播介质的情况下，两个临界角分别为大约15°和28°。在这种情况下，没有体波可以在28°以上的反射镜中传输。
第一超声束和第二超声束在第一反射镜和第二反射镜上直接被反射。
通过变型的方式，第一反射镜和第二反射镜连接到壳箱上。在这种情况下，反射镜由不锈钢或另一种金属合金或陶瓷材料制备，并且显示出高的声阻抗或高的声传播速度，如以上已经描述的。
有利地，壳箱具有发射器配合在其中的狭槽，所述狭槽的横截面与发射器的横截面基本相同。
因此，借助在狭槽内锁定就位的所述发射器的一部分，使该发射器相对于壳箱固定就位。将发射器的所述部分直接施用于狭槽的外周边缘。发射器结合到狭槽或通过力配合或夹持到狭槽。通过变型的方式，将保护层插入所述部分与狭槽的外周边缘之间。
有利地，壳箱整体地形成为单个零件，或包括两个将发射器包围在其之间的半壳箱。
每个半壳箱限定第一反射镜和第二反射镜之一，或第一反射镜连接到两个半壳箱中的一个，而第二反射镜连接到两个半壳箱中的另一个。
因此，所述壳箱是特别经济的。当其包括两个半壳箱时，发射器的安装简单。
当壳箱整体地形成为单个部件时，狭槽以壳箱的体质提供。通过变型的方式，狭槽限定在两个半壳箱之间。
有利地，将换能器浸入环境介质中，使第一发射表面和第二发射表面相对于壳箱布置，以确保第一超声束和第二超声束通过环境介质或通过构成壳箱的材料从第一发射表面和第二发射表面垂直向上传播到第一反射镜和第二反射镜。
在第一种情况下，换能器特别良好地适合用于其中反射束通过环境介质垂直传输到传输超声波的组成零件中。环境介质是例如水或另一种液体或气态流体。
在第二种情况下，换能器实际上能够将反射束直接发送到其中希望传输超声波的组成零件中，而没有通过环境介质发生的传输。发射器的第一发射表面和第二发射表面相对于壳箱的波输入表面被压平。壳箱的波输出表面相对于其中直接或间接传输超声波的零件被压平。第一反射镜和第二反射镜、输入表面和输出表面被布置为确保通过输入表面渗透入壳箱的第一超声束和第二超声束通过第一和第二反射镜垂直反射至输出表面。反射束通过输出表面离开壳箱并渗透入其中传输超声波的零件中。
然后，壳箱可以整体地形成为单个部件，或包括包围发射器表面的两个半壳箱，每个半壳箱限定第一反射镜和第二反射镜中的一个。
有利地，换能器包括电线和夹持元件，所述电线能够连接到电压源，所述夹持元件以没有焊接而将电线固定到发射器的方式将电线夹持紧靠所述发射器。
换句话说，由于发射器的两个相对表面均没有覆盖衬底，所以可以将电线安置为与发射器接触。由于不再需要将电线焊接到发射器上，所以可以促进换能器的制作。
有利地，固定可以例如通过使用夹持器来完成。所述夹持器具有两个臂，其偏向彼此相对的发射器的两个表面。电线夹持在臂与发射器之间。例如，换能器包括两个电线，一个电线夹持在一个表面上，而另一个电线夹持到相对的表面上。
关于变型的方式，将这些电线焊接、接触放置或通过任何其他方式固定。
典型地，发射器具有限定出第一发射表面和第二发射表面的一个活性部件以及连接到电线的一个部件，配合到狭槽中的发射器的部分位于所述活性部件与连接部件之间。
有利地，换能器包括覆盖第一和第二发射表面的保护层。这样的保护层提供了保护压电材料的能力。事实上，发射器以使得其形成从壳箱突出的突出部分的方式布置，因此有被冲击损坏的风险。保护层的使用使得可以降低这种风险。典型地，保护层覆盖发射器的整个外部表面，除了夹持或连接电线的区域以外。
保护层由弹性体材料、金属材料或陶瓷材料制备。例如，对于设计用于控制核反应堆容器的换能器，选择的材料具有使得最佳传输声能的声阻抗和厚度。
根据第一实施方式，第一超声束和第二超声束呈现出从第一发射表面和第二发射表面传播的第一传播方向和第二传播方向，第一反射镜和第二反射镜是平面的并且具有第一法线和第二法线，所述的第一和第二法线相对于第一传播方向和第二传播方向形成30°至60°的角。
优选地，所述角为40°至50°，典型地测量为45°。以对应于反射束的中心轴，在相同方向上反射第一超声束和第二超声束的方式调整第一反射镜和第二反射镜。当角为45°时，反射束是直射束，具有平面波前。
典型地，从发射表面传播的第一方向和第二方向彼此对齐并相对。第一反射镜和第二反射镜相对于彼此形成90°的角。通过变型的方式，第一发射表面和第二发射表面彼此不严格地平行，并且在其之间形成非零角度，例如，很小角度的角。
根据第二实施方式，第一反射镜和第二反射镜凹进第一发射表面和第二发射表面。这样的布置使得可以生成同轴波前，以及由此生成聚焦反射束。
根据第三实施方式，第一反射镜和第二反射镜向第一发射表面和第二发射表面凸出。这样的布置使得可以生成发散波前，以及因此生成非常开放的束。
发射器可以以任何类型的形式呈现。
有利地，所述发射器是板，第一发射表面和第二发射表面为所述板的两个彼此相对的大的平行表面。
在这种情况下，所述发射表面典型地为平面。
可供选择地，所述发射器是其轴与反射镜的轴结合的圆柱体或管，发射表面是径向相对的旋转的一个或多个表面。
典型地，圆柱体或管具有垂直于其中心线的圆形横截面。作为变型的方式，圆柱体或管具有卵形、椭圆形或任何其他形状的横截面。
典型地，第一发射表面和第二发射表面一起覆盖发射器的全部周边。因此，每个发射表面具有半圆柱形的形状。
在这种情况下，第一反射镜和第二反射镜一起限定出具有与发射器相同的轴的截头圆锥形或锥形表面。
根据本发明的另一个方面，换能器包括设置用于测量超声波的形状和强度的至少一个传感器，所述传感器布置在第一反射镜和第二反射镜之一中。
由于传感器布置在第一反射镜和第二反射镜之一中，因此其可以测定由换能器生成的波的形状或强度而不破坏超声束。
事实上，在已知应用中，这样的传感器以与换能器间隔的距离放置在由其生成的超声束中。因此传感器破坏该超声束。其不能永久地放置在该束中。
用于在水下应用的传感器称为水诊器。
换能器可以包括布置在两个反射镜之一中的的单个传感器。作为变型的方式，其可以在两个反射镜中的每一个中呈现出一个传感器，甚至在两个反射镜中的每一个的多个点布置多个传感器。
有利地，第一反射镜和第二反射镜呈现第一反射表面和第二反射表面，所述传感器包括安置为与第一和第二反射表面之一齐平的头部。
因此，传感器的存在对反射表面不产生任何减少(relief)，并且不干扰超声束的反射。
就第一和第二反射镜的表面而言，传感器通常具有小的尺寸。其头部放置在开放于布置在第一反射镜和第二反射镜中的反射表面的通道中。其具有形成第一反射表面或第二反射表面的连续性的完整部分的外部表面。
典型地，传感器的头部是压电材料。头部电连接到使其可以记录和分析来源于压电晶体的电压的元件。
作为变型的方式，传感器包括可以将超声波转换为电压的材料的薄层，所述材料为例如压电材料，所述薄层覆盖第一反射镜和第二反射镜之一。
该薄层典型地覆盖第一反射镜或第二反射镜的整个表面。因此传感器包括多个电极，每个电极连接到所述薄层的一个点，该连接提供了控制所述束的几个区域的能力。每个电极连接到可以记录和分析由材料转换器发射的电压的元件。
附图说明
参考附图，仅基于示例性基础而没有任何限制的情况下，从本文以下提供的详细说明中将会显现本发明的其他特征和优点，其中：
-图1是根据本发明的换能器的简化示意图；
-图2是与图1相似的视图，其显示了本发明的实施方式的变型；
-图3和图4是与图1相似的视图，其显示了换能器的反射镜的形状和形式的变型；
-图5和6是与图2相似的视图，其示出了本发明的另一个方面；和
-图7和8是与图1相似的视图，其示出了本发明的实施方式的又一个变型。
具体实施方式
图1中显示的超声换能器1意图用于流体，例如，在水下使用。该超声换能器1意图例如用于在机组停运期间进行加压水反应堆容器的检查。其也可以永久地安装在加压水反应堆容器上，用于进行温度和/或流速的测定。其甚至可以用于在其中传热流体是钠的反应堆内检查内部设备，或用于在这些相同反应堆上进行物理测定(温度、流速)。其也可以用于医学或治疗领域，用于船舶声纳(SONAR)应用，在所有类型的应用中作为位置传感器或计量传感器，或甚至用于清洗部件。
如在图1中可见的，换能器1包括由可以将电压转换为超声波的材料制备的发射器3和壳箱5。
发射器3显示出设置为发射第一和第二超声束F1和F2的、彼此相对的第一和第二发射表面7、9。
壳箱5限定第一和第二反射镜11、13，第一和第二反射镜11、13安置为分别与第一和第二发射表面7、9交叉。
第一和第二反射镜11、13以通过形成具有预定形状的反射束FR而使第一和第二超声束反射回来的方式灵活(form-wise)配置。
壳箱5由不锈钢制备。其具有发射器3与其配合的狭槽15。
两个反射镜11和13布置在壳箱5的一个前表面(front surface)上。两个反射镜11和13一起限定在该前表面(front face)上的凹陷带17。更准确地，第一和第二反射镜11和13是向彼此靠拢的两个平面表面。如在图1中可见的，狭槽3限定凹陷带的底部，向狭槽靠拢的第一反射镜和第二反射镜。狭槽在反射镜的前表面侧和壳箱的后表面(rear face)19侧均是开放的，该后表面19设置为与前表面17相对。在显示的实例中，第一和第二反射镜11和13相对于彼此形成90°的角。
向前方向在这里对应于反射束的传播方向。向后方向与向前方向相对。
在图1显示的实例中，发射器3是由压电晶体制备的薄板。发射器3包括配合在狭槽15中的中间部21、从狭槽15的前面向前突出的前部23、从狭槽15向后突出的后部25。发射器3具有设置为彼此相对的第一和第二大表面27、29。限定发射器的前部23的第一和第二大表面27、29的区域构成第一和第二发射表面7和9。因此，第一和第二发射表面7和9与第一和第二反射镜11和13形成45°的角。
发射器3通过在中间部21与狭槽15之间的合作形式或通过使中间部21结合到狭槽15内部的方式而连接到壳箱5。
超声换能器的运行如下。
第一和第二发射表面7、9发射沿着第一和第二传播方向传播的第一和第二超声束F1和F2。第一和第二传播方向基本上垂直于发射表面7和9。第一和第二发射表面7、9相对于第一和第二反射镜11和13的法线形成45°的角。第一和第二超声束在第一和第二反射镜11和13上被反射并且形成反射束FR。第一和第二超声束沿着其中反射束的传播方向与第一和第二传播方向为90°的方向上，以90°反射，如图1中通过箭头显示的。
现将参考图2来描述本发明的实施方式的变型。以下将仅详细描述该变型实施方式与图1中显示的不同之处。
如在图2中见到的，换能器包括覆盖发射器的保护层31。保护层由弹性体材料制备。保护层覆盖第一和第二发射表面7和9。其还几乎完全覆盖两个大表面27和29。特别地，保护层31插入在中间部21与狭槽15的边缘之间。另一方面，保护层31不覆盖发射器3的后部边缘32。
此外，换能器1包括连接到电压源(未显示)的电线33、35。电线33和35在后部边缘32的水平处，分别紧靠发射器3的第一和第二大表面27、29被压平。由于保护层31不覆盖后部边缘32，因此后部边缘32可以在电线33和35与发射器之间产生电接触。电线33和35通过夹持器(未显示)保持就位。电线33和35没有焊接到发射器。
发射器的后部25封装在壳箱5中提供的凹腔37中。因此，后部25以及电线33和35与后部边缘32之间的连接被保护免受侵袭性外部或环境因子影响。壳箱5具有孔39，孔39使凹腔37与外部之间连通。电线33和35通过孔39从壳箱引出。
壳箱5由两个半壳箱40组成，在两个半壳箱40之间夹持发射器3。每个半壳箱40限定第一和第二反射镜11、13中之一。狭槽15限定在两个半壳箱40之间。半壳箱40通过任何适合的工具：螺钉、焊料等连接到彼此。
图3和4显示了其中反射镜11和13不是平面的本发明的实施方式的两个变型。
在图3中，反射镜11和13凹进第一和第二发射表面7和9。计算凹度以确保反射束具有同轴波前。反射束FR因此聚焦于位于与发射器前部一定距离处的点P。
在图4中，第一和第二反射镜11和13向第一和第二发射表面7和9凸出。第一和第二反射镜11和13被布置为确保反射束具有发散波前。
现将参考图5和6详细描述本发明的第二方面。以下将仅详细描述图5和6中显示的换能器分别与图2和1中显示的那些的不同之处。在图5和6中，与在图2和1中相同或提供与在图2和1中相同功能的元件将通过相同的参考符号表示。
在图5和6中显示的实施方式的实例中，换能器1包括至少一个设置用于测量超声波的形状或强度的传感器41。该传感器41布置于第一和第二反射镜中的一个中。
在图5显示的实例中，换能器包括两个相同的传感器41，传感器41布置为一个位于第一反射镜11中，而另一个位于第二反射镜13中。
壳箱5包括两个通道43，通道43的一侧开放于腔37，而另一侧开放于第一和第二反射镜的第一和第二反射表面45和47。每个传感器41具有配合在通道43中的、由压电晶体制备的头部49。头部49设置为与第一或第二反射表面齐平。传感器(更具体地为传感器的头部49)因此与第一或第二反射表面齐平。头部49具有自由表面51，自由表面51形成反射表面45或47的连续性的完整部分。
每个传感器41还包括电连接到头部49的至少一个电功率线路(未显示)。该线路横穿通道43，引入腔47内并通过孔39离开壳箱。其连接到例如计算单元。
在图6显示的实施方式的变型中，每个传感器41包括压电晶体的薄层51，薄层51覆盖第一或第二反射镜11、13。每个传感器41还包括多个电极53，电极53电连接到薄层51的不同点。这些电极53通过电线连接到计算单元。薄层51覆盖第一和第二反射镜的全部反射表面45、47。因此，其可以控制由反射镜的不同区域发射的超声信号。
现将参考图7来描述本发明的实施方式的变型。以下将仅描述该变型实施方式与图1中显示的不同之处。
在图1显示的实施方式的变型中，换能器1意图浸入环境介质如水中。第一和第二发射表面7、9相对于壳箱5布置以确保第一和第二超声束F1、F2通过环境介质从第一和第二发射表面7、9垂直向上传播到第一和第二反射镜11、13。
反射束FR通过环境介质传输到其中传输超声波的零件中。
在图7显示的实施方式的变型中，换能器1能够将反射束FR直接发送到其中传输超声波的零件55中，而没有通过环境介质发生传输。
为此，第一和第二发射表面7、9相对于壳箱5布置为确保第一和第二超声束F1、F2通过构成壳箱5的材料从第一和第二发射表面7、9垂直向上传播到第一和第二反射镜11、13。
发射器3的第一和第二发射表面7、9随后相对于壳箱的波输入表面57被压平。在显示的实例中，波输入表面57限定其中发射器3与其配合的狭槽15。壳箱5的波输出表面59相对于其中传输超声波的零件55被压平。在显示的实例中，波输出表面59相对于零件55直接被压平。在图8显示的变型中，楔形物61插入在波输出表面59与零件55之间。楔形物例如使其可以调整超声束在传输超声波的零件中传播的方向。
通过变型的方式，壳箱5和楔形物61整体形成为单个单元并构成一个相同的零件。反射镜因此有点长(其超过发射器的极端点)并直接合并角度以引起超声束在零件中偏转(临界角以下)。
第一和第二反射镜11、13，波输入表面57和波输出表面59被布置为确保通过输入表面57渗透入壳箱5的第一和第二超声束F1、F2被第一和第二反射镜11、13垂直反射到输出表面59。反射束FR在壳箱5的内部传播，通过输出表面59离开壳箱5并渗透入传输超声波的零件55中。
Claims (18)
1.一种超声换能器(1)，包括至少一个由将电信号转换为超声波的材料制备的发射器(3)，所述发射器(3)具有设置用于发射第一超声束和第二超声束(F1、F2)的、彼此相对的第一发射表面和第二发射表面(7、9)；
其特征在于，所述超声换能器(1)至少包括第一反射镜和第二反射镜(11、13)，所述第一反射镜和第二反射镜(11、13)被安置为分别与第一发射表面和第二发射表面(7、9)相对，并且以通过形成预定形状的反射束(FR)将第一超声束和第二超声束(F1、F2)反射回来的方式配置，并且
所述换能器包括至少一个传感器(41)，其设置用于测量超声波的形状和强度，并且布置在第一反射镜和第二反射镜(11、13)之一中。
2.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述换能器包括发射器(3)与其连接的壳箱(5)。
3.根据权利要求2所述的换能器，其特征在于，所述壳箱(5)具有限定第一反射镜和第二反射镜(11、13)的两个反射表面(45、47)，或所述第一反射镜和第二反射镜(11、13)连接到壳箱(5)上。
4.根据权利要求2或3所述的换能器，其特征在于，所述壳箱(5)具有发射器(3)配合在其中的狭槽(15)，所述狭槽(15)具有与发射器(3)相同的横截面。
5.根据权利要求2或3所述的换能器，其特征在于，所述壳箱(5)包括将发射器(3)包围在其之间的两个半壳箱(40)。
6.根据权利要求5所述的换能器，其特征在于，每个半壳箱(40)限定第一反射镜和第二反射镜(11、13)中的一个，或第一反射镜(11)连接到两个半壳箱(40)中的一个上而第二反射镜(13)连接到两个半壳箱(40)中的另一个上。
7.根据权利要求2或3所述的换能器，其特征在于，所述换能器(1)浸入环境介质中，第一发射表面和第二发射表面(7、9)相对于壳箱(5)设置为确保第一超声束和第二超声束(F1、F2)通过环境介质或通过构成壳箱(5)的材料从第一发射表面和第二发射表面(7、9)垂直向上传播到第一反射镜和第二反射镜(11、13)。
8.根据权利要求1或2所述的换能器，其特征在于，所述换能器包括电线(33、35)和夹持元件，所述电线(33、35)能够连接到电压源，所述夹持元件以没有焊接而将电线(33、35)固定到发射器(3)的方式将电线(33、35)夹持紧靠发射器(3)。
9.根据权利要求1或2所述的换能器，其特征在于，所述换能器包括覆盖第一发射表面和第二发射表面(7、9)的保护层(31)。
10.根据权利要求1或2所述的换能器，其特征在于，所述第一超声束和第二超声束(F1、F2)呈现出从第一发射表面和第二发射表面(7、9)传播的第一传播方向和第二传播方向，第一反射镜和第二反射镜(11、13)为平面并且具有相对于第一传播方向和第二传播方向形成30°至60°的角的第一法线和第二法线。
11.根据权利要求1或2所述的换能器，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜(11、13)在背离第一发射表面和第二发射表面(7、9)的方向凹陷。
12.根据权利要求1或2所述的换能器，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜(11、13)向第一发射表面和第二发射表面(7、9)凸出。
13.根据权利要求1或2所述的换能器，其特征在于，所述发射器(3)是板，第一发射表面和第二发射表面(7、9)是所述板的两个彼此相对的大的平行表面。
14.根据权利要求1或2所述的换能器，其特征在于，所述发射器(3)是径向偏振的圆柱体或管，第一发射表面和第二发射表面(7、9)是直径方向上相反的两个径向表面。
15.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜(11、13)呈现出第一反射表面和第二反射表面(45、47)，所述传感器(41)安置为与第一反射表面和第二反射表面(45、47)之一齐平。
16.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述传感器(41)包括由压电晶体制备的头部(49)。
17.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述传感器(41)包括由将超声波转换为电压的材料的薄层(51)，所述薄层(51)覆盖第一反射镜和第二反射镜(11、13)中的一个。
18.根据权利要求17所述的换能器，其特征在于，所述将超声波转换为电压的材料是压电晶体。
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