CN1056267A - 超声波换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波压电换能器，构成该种 换能器的方法，及其应用系统。该换能器包括其形状 为倒U形或马鞍形的压电材料，以及使该材料成型 和拉伸的装置，该装置与压电材料相配合地工作，以 使该换能器可在扩张模式下发射和/或接收超声波 振动。本发明的换能器特别适用于在空气或其它气 体或液体内的超声波检测和/或发射。

Description

本发明涉及超声波压电换能器，即，一种构成一种超声波压电换能器的方法，一种发射超声波振动的系统，一种检测超声波振动的系统，一种发射和检测超声波振动的系统，一种发射超声波振动的方法，一种检测超声波振动的方法，以及一种发射和检测超声波振动的方法。

一些偶然的场合会产生这样的需要，即，使用频率在100-200kHz范围内、功率需求最小且工作在空气或其它气体内的超声波换能器。小功率需求的要求将大部份现存的换能器排除在外，这些换能器无论其灵敏度多么差都需要大功率激励电源，或者无论其是否需要高的偏置电压它们都难于工作在小功率D.C.系统中。例如，工作在空气或其它气体的超声波换能器（常用于水下）典型地是低灵敏度的和窄带的。这些特点是由于空气或其它气体与换能材料之间存在着很大的声阻抗失配（后者能产生较大的力量但仅有较小的偏移）。它们不是只有较小的偏移（低功率声波输出），就是只能使材料在一特定的频率上谐振。对于回声传感和信息传输的应用，单一频率是无用的，而是需要尽可能宽的频率范围。已经研究出一些低偏置电压（30V）的静电换能器，但它们是昂贵的且制造起来费时间。

本发明的目的是提供一种超声波压电换能器。

另一目的是提供构造一种压电换能器的方法。

其它的目的是提供一种发射超声波振动的系统，一种检测超声波振动的系统，以及一种发射和检测超声波振动的系统。

进一步的目的是提供一种发射超声波振动的方法，一种检测超声波振动的方法，以及一种发射和检测超声波振动的方法。

本发明已揭示具有适当形状的压电体材料可以在某一模式下被激励，该模式在本说明书及其权利要求书中被称为扩张模式或准轴向模式。换能器在扩张模式被激励的含义将在下面详细解释。当一个具有一定弯曲形状的压电材料被激励，在它被拉长时就膨胀，在它被缩短时则收缩。而在不被弯曲的情况下，则无横向运动产生。因此，如果材料被和缓地弯曲而无拐点，并因此在曲线轨迹上无变化，它就在整个长度上作同相位的横向振动。另一方面，如果曲线包含有拐点，则横向位移将在该点上产生相位变化。如果该包含拐点的曲线还具有合适的幅射状几何形状，就会有效地将压电激励耦合成横向位移，籍此，不同相位的横向振动相长地干涉而得到大功率输出，当这一情况发生时，即是压电材料在扩张模式下被激励。在这种方式下，具有高效幅射区域的换能器可被设计用在波长为几毫米的数量级的超声波频率上。

根据本发明的第一个实施例，提供一种超声波压电换能器，它包括具有某一形状的压电体材料，籍此，该换能器可在扩张模式下发射和/或接收超声波振动。

第一实施例的换能器可进一步包括将压电材料成型的装置，该装置可与该压电材料相配合地工作。

第一实施例换能器的压电材料可以被拉伸，并可进一步包括将材料拉伸的装置，该装置与该压电材料相配合地工作。

第一实施例换能器的压电材料可具有使其能够在扩张模式下发射和/或接收超声波振动的任何形状。典型地，该形状可以是倒U形的或马鞍形的。倒U形的装置可以相对于材料的支撑点倒置。该形状也可以为不相对于材料的支撑点倒置的倒U形。

根据本发明的第二个实施例，提供一种超声波压电换能器，它包括被成形和被拉伸的压电材料，籍此，该换能器可以连同将压电材料成形与拉伸的装置一起来发射和/或接收超声波振动，该成形与拉伸装置与压电材料相配合地工作。

根据本发明的第三个实施例，提供一种超声波换能器，它包括具有某一形状并被拉伸的压电材料，并且具有将材料拉伸的装置，该装置与压电材料相配合地工作，籍此，该换能器能够发射和/或接收在10kHz-200kHz频率范围内的振动峰的超声波振动。

根据本发明的第四个实施例，提供一种超声波换能器，它包括被成形和被拉伸的压电材料，并具有将材料成形和拉伸的装置，该装置与压电材料相配合地工作，籍此，该换能器能够发射和/或接收在10kHz-200kHz频率范围内的振动峰的超声波振动。

该范围典型的是在12kHz-160kHz，80kKz-120kHz，95kHz-105kHz，15kHz-60kHz，或者15kHz-30kHz。在该范围内可以有一个以上的振动峰。

第一、二、三或四实施例中用于将压电材料拉伸和/或成形的装置可以是可调节的，以使得材料能够被拉伸和成形，从而在各种所需的超声波频率范围内产生和/或接收超声波频率。

第一或第二实施例的换能器可以包括能够在准轴向/扩张模式下发射和/或接收超声波振动的任何压电材85料。这样的材料包括有压电聚合物材料、压电塑料材料和压电橡胶材料。有利的压电材料包括一种连接的聚亚乙烯聚合物（poled  polyvinylidene  polymer），PVDF，或者一种1，1-二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物（copolymer  of  vinylidene  fluoride  and  trifluoroethylene），其可能的形状为板状、片状、薄膜或其它适当的压电形状。这些材料也适用于第三和第四实施例。

根据第一实施例的一种所需的形状，该压电材料是如画在图9中的马鞍形，其中，A和C为压电材料的支撑点，X为过B点的A和C点之间的材料形状长度，d1为A和C点之间的距离，d3为马鞍形两顶点之间的距离，h1为压电材料从A和C点连线到左手边马鞍形顶点的高度，hr为压电材料从A和C点连线到右手边马鞍形顶点的高度，h21为压电材料左手边马鞍形的高度，h2r为压电材料右手边马鞍形的高度，其中：

1.5×d1≤x≤2.3×d1;

0.5×d1≤hr≤0.9×d1;

0.5×d1≤h1≤0.9×d1;

0.1×d1≤h21≤0.2×d1;

0.1×d1≤h2r≤0.2×d1;

0.6×d1≤d3≤0.8d1.

在一个特别需要的形状中，第一、第二、第三或第四实施例的压电材料是如图9所画出的马鞍形，其中，d2为一个与压电材料相配合地工作以使其拉伸的棒的截面直径，点A和C为压电材料的支撑点，X为过B点的A和C点之间的压电材料形状的长度，d1为点A和C之间的距离，d3为马鞍形两顶点之间的距离，h1为压电材料从点A和C的连线至左手边马鞍形顶点的高度，hr为压电材料从点A和C的连线至右手边马鞍形顶点的高度，h21为压电材料左手边马鞍形的高度，h2r为压电材料右手边马鞍形的高度，其中：

1.5×d1≤x≤2.3×d1;0.5×d1≤hr≤0.9×d1;0.5×d1≤h1≤0.9×d1;0.1×d1≤h21≤0.2×d1;0.1×d1≤h2r≤0.2×d1;0.05×d1≤d2≤0.2×d1;0.6×d1≤d3≤0.8×d1.

较典型地，d1＝10mm;15mm≤x≤23mm;5mm≤hr≤9mm;5mm≤h1≤9mm;1mm≤h21≤2mm;1mm≤h2r≤2mm;0.5mm≤d2≤2mm;6mm≤d3≤8mm.

一般地，d1＝10mm;x＝20mm;hr＝7.5mm;h1＝7.5mm;h21＝1.5mm;h2r＝1.5mm;d2＝1.0mm;d3＝6.9mm.

典型的是hr与h1近似相等（0.5mm范围内）或相等，h2r与h21近似相等（0.5mm范围内）或相等。

较有利的是，第一、第二、第三或第四实施例的压电材料包括一个连接的聚亚乙烯薄片，它为5μm至75μm厚，典型的为9μm至35μm厚，较典型的为20至25μm厚，更典型的为25μm厚。

第一、第二、第三或第四实施例的压电材料可以是如图10画出的倒U形，其中，点A和B为压电材料的支撑点，X为过C点的点A和B之间的材料形状长度，以及d1点为点A和B之间的距离，其中：

1.5×d1≤X≤2.3×d1

较典型地，d1＝10mm;15mm≤X≤23mm。

一般地，d1＝10mm;X＝20mm。

根据本发明的第五个实施例，提供一种构造第二实施例中的超声波压电换能器的方法，该方法包括：

将压电材料成形和拉伸，籍此，该材料可以在扩张模式下发射和/或接收超声波振动。

根据本发明的第六个实施例，提供一种构造第四实施例中的超声波压电换能器的方法，该方法包括：

将压电材料成形和拉伸，籍此，该材料可以发射和/或接收在15kHz-130kHz频率范围内振动峰的超声波振动。

根据本发明第七个实施例，提供一种发射超声波振动的系统，它包括第一、二、三或四实施例的超声波压电换能器;以及一种与该换能器相配合工作的超声波AC源。

根据本发明第八个实施例，提供一种检测超声波振动的系统，它包括第一、二、三或四实施例的超声波压电换能器;以及一种与该换能器相配合工作的超声波信号检测器。

根据本发明第九个实施例，提供一种发射和检测超声波振动的系统，它包括第一、二、三或四实施例的超声波压电换能器;一种与该换能器相配合工作的超声波AC源;以及一种与该换能器相配合工作的超声波信号检测器。

根据本发明第十个实施例，提供一种发射和检测超声波振动的系统，它包括第一、二、三或四实施例的第一超声波压电换能器;第一、二、三或四实施例的第二超声波压电换能器;一种与该第一和第二换能器相配合工作的超声波AC源;以及与第一和第二换能器相配合工作的超声波检测器。

根据本发明的第十一个实施例，提供一种发射超声波振动的方法，它包括将超声波AC信号加到第七实施例系统的压电换能器上。

根据本发明的第十二个实施例，提供一种检测超声波振动的方法，它包括采用第八实施例的系统检测超声波AC振动。

根据本发明的第十三个实施例，提供一种发射和检测超声波振动的方法，它包括：

将超声波AC信号加到第九实施例系统的压电换能器上;以及用第九实施例的系统检测超声波AC振动。

根据本发明的第十四个实施例，提供一种发射和检测超声波振动的方法，它包括：

将超声波AC信号加到第十实施例系统的第一和第二压电换能器上;以及

用第十实施例系统的第二压电换能器检测由第二或第一压电换能器产生的超声波AC振动。

在其最佳的形式中，压电材料为一压电薄片，它典型的是由聚偏二氟乙烯（“PVDF”）薄片或由包含PVDF的共聚物薄片构成的。该薄片至少有两个固定在其上的电极，典型的是在薄片的每个面上有一电极。这些电极可以是相同材料或不同材料，典型为相同材料。电极材料的例子是诸如金属Au，Pd，Pt，Ti，Zn，Al，Ag，Cu，Sn，Ga，In，Ni，导电聚合物，该聚合物需要用添加剂来填充，添加剂为碘、氟、碱金属及其盐，金属碳酸盐和卤化砷，该导电聚合物包括：多炔，多炔共聚物，聚吡咯，聚丙烯睛，芳烃聚合物，聚苯胺，聚噻吩，聚咔唑，聚β-二酮，聚二炔丙基胺，聚二氢苊/N-乙烯基杂环路易斯酸，聚（芳香杂环1，2-亚乙烯），聚酞菁，与1，9-双取代亚苯起化学反应的聚合物，聚类叶红素，杂环梯形聚合物，替代的芳族和醌型序列，聚异硫茚和聚（对-亚苯基）硫醚;和不需要掺杂的聚合物，例如：聚（二醚键双邻-腈），聚乙炔和带晶胞的聚二炔，聚（迫位萘），聚（碳联硒化物），过渡金属元素的聚（苯并二硫羟烯），聚（噻吩磺酸酯）和末端乙炔席夫碱。

一般压电材料的宽度为1mm-3500mm，有利的为1mm-500mm，典型的为3mm-100mm，较典型的为4mm-40mm，较佳的为5mm-20mm，以及更佳的为10mm。

也还有下例实施例包含在本发明范围内：

（ⅰ）一种超声波压电换能器，它包括具有一定形状的并被拉伸的压电材料，籍此，该换能器可在扩张模式下发射和/或接收超声波振动;

（ⅱ）一种超声波压电换能器，它包括被成形和被拉伸的压电材料，籍此，该换能器可在扩张模式下发射和/或接收超声波振动;

（ⅲ）一种超声波压电换能器，它包括具有一定形状的且被拉伸的压电材料，籍此，该换能器可发射/或接收在10kHz-200kHz频率范围内振动峰的超声波振动;以及

（ⅳ）一种超声波压电换能器，它包括被成形和被拉伸的压电材料，籍此，该换能器可发射和/或接收在10kHz-200kHz频率范围内振动峰的超声波振动。

对附图的简要说明如下：

图1为带成型块和横棒的本发明超声波压电换能器的分解透视图;

图2为使用本发明超声波换能器来检测超声波信号的电路框图;

图3为使用本发明超声波压电换能器来发射超声波信号的电路框图;

图4为本发明另一超声波压电换能器的分解透视图;

图5以框图的形式概要地画出用于检测和发射超声波振动的电路;

图6（a）和6（b）分别为图1中的成型块13的主视图和侧视图，其所示尺寸为毫米，图6（a）也画出园柱形横棒14;

图7为实际换能器薄片形状的放大光学投影图;

图8为具有成型块和横棒的本发明又一超声波压电换能器的分解透视图;

图9为图1或图8中压电材料的截面图;

图10为倒“U”形的压电材料的截面图;

图11（a）为一种压电薄片对称横向模式的、由所示角度θ所确定的频率图，在对应“弯曲”模式的约20度处频率锐增;

图11（b）对小度数和大于20度的角度θ画出模式1和3;

图11（c）画出一种马鞍形单向压电材料，该图中的第一图的箭头示出运动方向;

图11（d）画出一种倒U形单向压电材料，该图中的第一图的箭头示出运动方向;

图11（e）为图11（d）的压电材料长度与频率的关系曲线图;

图12（1）、（2）、（3）和（4）画出图13-16中所使用的压电材料的形状;

图13（1）-（4）为对于1×2cm²单轴向PVDF薄片的频率与功率输出关系曲线（对图12的形状（1）-（4）的麦克风响应，输出是未修正的）;

图14（1）-（4）为对于1×2cm²单横向PVDF薄片的频率与功率输出关系曲线（对图12的形状（1）-（4）的麦克风响应，输出是未修正的）;

图15（1）-（4）为对于1×2cm²双向PVDF薄片的频率与功率输出关系曲线（对图12的形状（1）-（4）的麦克风响应，输出是未修正的）;以及

图16（1）-（3）为对于1×2cm²单横向PVDF薄片的频率与功率输出关系曲线（对图12的形状（1）-（3）的麦克风响应，输出是未修正的）。

下面将描述构成一种被设计工作在约100kHz频率的超声波压电换能器。该换能器的输出较高（对于工作区域1cm²，10cm处约为1Pa/V），并且与其它压电换能器相比，它有宽的带宽（3dB之间约为30kHz）。接收灵敏度取决于用于换能器的放大器的类型，也取决于该系统的噪声（即，使用高输入阻抗电压放大器会出现与低输入阻抗跨导放大器不相同的特点）。

参见图1，具有蒸发电极11和12的PVDF薄片10由可调节的横棒14使其弯曲在具有螺丝孔25（仅示出左边的孔）的成型块13上，如同一图图1所示，该横棒典型的是细而硬的线材。块13的尺寸以mm为单位示于图6（a）和（b）中。薄片10中的弯曲部15的直径由位于块13上方的横棒14的高度所控制。如同薄片宽度16能影响工作频率一样（在100kHz频率时约为1cm），弯曲部15的直径也影响工作频率（在100频率时约为3mm）。它们的尺寸也影响振动的幅度（即，发射和接收灵敏度）。薄片10被尼龙螺丝17和18以及与螺丝18联用的垫圈21紧固在块13之上，螺丝17和18也用来使薄片与两接线端19和20相接触，这些接线端将分别与电极11和12接触。薄片10的接近于螺丝17和18的部分可以用氢氧化钠来处理，以分别清理铝电极12和11，这将减小与薄片10的工作区域相并联的电容，并改善接收和发射特性。

最大声输出频率接近于预期在薄片10上面的驻波谐振频率，但由于空气或其它气体对具有低声阻抗的薄片10所施加的弯曲形的阻力的作用，会造成很强的谐振模糊。振动模式的全息照像研究表明，薄片的主要运动垂直于薄片10且位于弯曲部15中部与两弯曲部22和23的顶部之间中间部位。图7画出实际换能器薄片形状的放大光学投影图。对应于图1的标号被加到图7中，以易于快速比较。在边缘的任何一点都没有可感知的常规运动，在横棒14下面的中心线上也无这样的运动。因此，为停止薄片10的主要运动，可以在弯曲部22和23的顶部边缘分别用支撑柱26和27以及28和29将薄片支撑起来，如图1所示，或者该薄片可以与横棒14紧密靠合，这些方式都无有害作用。除了幅射面22和23之外，图1的整个换能器都用导体来屏蔽，以减小电磁和声干扰。横棒14的高度可以由螺丝来调整（相对于支撑横棒14的基座来移动成型块13），或简单地用手来调整（利用横棒14和成型块上的一个孔洞之间的摩擦力使其定位并最终被紧紧靠合）。这两种方法均只需几秒钟时间，并且使零部件简单，整个组件可以低廉地生产。

与图1示出的相类似但又有变化的构造示于图8。在该后一构造中，具有蒸发电极11a和12a的PVDF薄片10a（一般为22μm-25μm，典型为25μm）由可调节横棒14a使其弯曲在两个面上均有突出部25a（仅示出左面的）的塑料成型块13a之上，该横棒典型的是套有塑料套的细而硬的线材，如同一图图8所示。块13的尺寸以mm为单位在图6（a）和（b）中示出。薄片10a的弯曲部15a的直径由位于块13a上方的横棒14a的高度所控制。如同与块13a的宽度16a相接近的薄片宽度会影响工作频率一样（在100kHz频率约为1cm），弯曲部15a的直径也影响工作频率（在100kHz约为3mm）。这两个尺寸也影响振动的幅值（即，发射和接收灵敏度）。通过将孔30a（仅示出左边的）套在突出部25a（仅示出右边的），薄片10a被卡固在块13a之上，并通过将塑料垫圈21a和21aa安置于突出部25a之上，使薄片10a与两接线端19a和20a相接触。薄片10a可通过将卡爪固定在垫圈21a和21aa之上的方式使其卡固在突出部25a之上。

为停止薄片10a的主要运动，可以分别籍支撑柱26a和27a以及28a和29a，在弯曲部22a和23a顶部的边缘上将其支撑起来，如图8所示。成型块13a较好的是由绝缘体构成。横棒14a的高度可以用手调节，这只需几秒钟的时间，并且使零部件简单，整个组件可低廉地生产。

图1或图8中的压电材料10或10a是如图9示出的马鞍形，其中，d2为横棒14或14a的截面直径，它与该压电材料相配合地工作，以将其拉伸，点A和C为压电材料的支撑点，x为过点B的点A和C之间的压电材料形状长度，d1为点A和C之间的距离，d3为马鞍顶部之间的距离，h1为从点A和C的联线至左手边马鞍顶部的压电材料的高度，hr为从点A和C的连线至右手边马鞍顶部的压电材料的高度，h21为压电材料左手边马鞍形的高度，以及h2r为压电材料右手边马鞍形的高度，其中：

d1＝10mm;x＝20mm;hr＝7.5mm;

h1＝7.5mm;h21＝1.5mm;h2r＝1.5mm;

d2＝1.0mm;d3＝6.9mm

下面描述超声波压电材料的另一种构造。

参见图4，具有蒸发电极101和102的PVDF薄片100籍可调节的棒104弯曲在一个包铝的园柱形塑料成型块103之上，如同一图图4所示，该棒典型的是细而硬的线材。薄片100的弯曲程度由位于块103内基座114之上的棒104的高度所控制。如同薄片的直径106会影响工作频率一样，薄片100的弯曲程度也对其有影响。这两者的尺寸也影响振动的幅度（即，发射和接收灵敏度）。通过尼龙螺丝107和108以及与螺丝108联用的垫圈111，薄片100被紧固在块103上面，螺丝107和108也用于使其与两个接线端109和110接触，这使它们分别与电极101和102相接触。薄片的接近于螺丝107和108的部位可用氢氧化钠来处理，以分别清理铝电极102和101。这可以降低与薄片100工作区域相并联的电容，因而改善接收和发射特性。

为了停止薄片100上的主要运动，可以无任何有害作用地通过边沿113对边缘112的支持，或将其与棒104紧密靠合来实现。成型块103较好的是由绝缘体轧制而成，整个元件较理想的是用铝导体来屏蔽，以降低电磁和声干扰。棒104的高度可以用螺丝来调节（相对于用于固定支撑棒104的座体，移动成型块103），或者简单地用手来调节（利用棒104和成型块上的孔洞之间的摩擦力来使其定位并最终被紧密靠合）。

图2以框图的形式概要地画出用于检测超声波振动的系统300。系统300含有图1、图8或图4的超声波压电换能器301与其作电气性连接的放大器302。放大器302也与滤波器303作电气性连接，该滤波器303又与阴极射线示波器304作电气性连接。

在使用中，系统300被安置于有超声波需要检测的大气环境中。空气或其它气体中的超声波振动引起换能器301作超声波振动，并被其转变为超声波电信号。超声波电信号由放大器302放大，由滤波器303滤波并被显示在阴极射线示波器304之上。

图3以框图的形式概要地画出用于发射超声波振动的系统400。系统400含有图1、图8或图4的超声波压电换能器401和超声波矩形/正弦波发生器402或超声波脉冲发生器403，它与换能器401作电气性连接。

在使用中，系统400被安置在有超声波需要发射的大气环境中。由矩形/正弦波发生器402或脉冲发生器403将超声波电信号加到换能器401上，使换能器401作超声波地振动，从而使超声波振动发射到周围的空气或其它气体中。

图5以框图的形式概要地画出用于检测和发射超声波振动的系统500，系统500含有图1、图8或图4的超声波压电换能器501和通过开关505与换能器501作电气性连接的放大器502。放大器502又与滤波器503作电气性连接，该滤波器接着又与阴极射线示波器504作电气性连接。系统500含有超声波矩形/正弦波发生器506或超声波脉冲发生器507，它通过开关505与换能器501作电气性连接。

在使用中，系统500被安置在需要有超声波被检测的大气环境中。在空气或其它气体中的超声波振动引起换能器501作超声波地振动，并由换能器501转换成超声波电信号。该电信号通过开关505被送至放大器502，当系统处于检测模式时，该开关将换能器501与放大器502相连接。超声波电信号被放大器502放大，被滤波器503滤波并被显示在示波器504之上。在发射模式，矩形/正弦波发生器506或脉冲发生器507的超声波电信号通过开关505被加到换能器501上，该开关与发生器506或507相连接，该超声波电信号引起换能器501作超声波地振动，从而引起超声波振动被发射到周围的空气或其它气体之中，振动可以传到反射面508上面，从该反射面，它们被反射回来，并在检测模式中被系统500检测到。

两个系统500（其每一个具有如上面刚刚描述的图1、图8或图4的换能器）可以被安置在互相相距一定距离的位置，并交替地发射和接收超声波信号，以进行诸如气体流动速率的测量。另一种具有两个换能器（其每个都是根据图1、图8或图4的换能器）的系统500，两个换能器被互相相距一定距离地放置并交替地发射和接收超声波信号，以进行诸如气体流动速率的测量。

例1

如上所指出的，本发明的压电材料具有含一个拐点的弯曲形状，并被设想为该弯曲形状也具有适宜的幅射几何形状，这将导致压电激励被有效地耦合为横向位移，籍此，不同相位的横向振动相长地干涉而产生高功率输出，当该情况发生时，则换能器处于准轴向/扩张模式的激励，即，产生与压电材料表面相平行的表面振动。本发明的换能器弯曲形状的作用可归结为三个方面：

1.在长度谐振被使用时，谐振频率随曲率的增加而增加，其值与沿薄片的总曲率有关（图11（a））。

2.在薄片的全部长度被同相位地激励时，如通常的情况，综合的曲率将造成与轴向扩张相联系的横向位移响应沿薄片呈不规则地分布，最大的位移对应于最大曲率的点。在薄片曲线的每个拐点上，位移的相位翻转（在无拐点但曲率很大时，相位翻转也会发生，如图11（b）所示）。

3.弯曲的薄片是幅射形状的换能器。

图11（c）以一个用于在局部气体中进行气体速率测量的、其厚度为25μm，约10mm宽、20-30mm长的PVDF压电材料示出这些综合的特征。所使用的最佳薄片是单向薄片，它沿与条形相交叉的运动方向来切割，因为这将抑制长度方向存在的强扩张模式（然而，双向PVDF也可被采用）。如果该模式存在，它将在所需要的峰下面产生另一个响应峰，而造成输出的低频起伏。该薄片在位于和低于第一频宽响应的频率上沿宽度方向上被激励。该振动通过泊松耦合（Poisson coupling）强制产生一个沿薄片的相应的周期扩张，它在每处都是同相的。通过对每端的卡固和跨在其中部的固定棒，该薄片被弯曲成所示的形状，这形成约为100mm²的有效幅射区。两个大曲率的墩形具有增强的横向运动且是同相的。在它们之间的低谷，横向振动是反相的。幅射器的整个形状形成总输出，它产生约100kHz波长为3mm的强宽带响应。该响应由位于同频率的频宽谐振来增强。

第二种结构示于图11（d），它适用于20-50kHz的较低频率的压电材料。在此情况中，一条单向薄片被沿运动方向来切割，且沿薄片的强扩张谐振被作为压电材料的基础。该薄片被卡固成呈简单的倒“U”形状，且倒“U”形状的弯曲前端部用一固定棒将其稍微展平。当该薄片被挤压，且该幅射面刚好接近于平面时，将获得最佳输出。在该点上，整个幅射面的振动是同相的。如果在中间的一个区域上该薄片被调整得非常平，将产生反相位，这将造成响应的损失。工作频率主要取决于薄片长度，其次取决于最终的弯曲形状，其结果示于图11（e）。固定棒第二个作用是展宽频率响应。

例2

材料的声传播理论通常是以波的连续性为基础的。然而，压电塑料薄膜的典型厚度为10-100微米，它比在薄膜上传播的波长小得多，因此连续性理论在此处不适用。在薄膜中的声波传播理论的研究因此而较复杂并且仅能用近似的方法来完成，但允许将准轴向或扩张波相等同，这些波是主要产生的、且与薄膜表面波和横向波相平行的表面运动。这些波可象不旋转波或不扩散波那样出现，也可象体波或表面波那样出现。[“Structure-Borne  Sound”，Cremer，Heckl，Heckl  &  Ungar，Springer-Verlag，Berlin，1973]。

下面的对切割成10×20mm厚度为25μm的PVDF薄膜的实验展示了薄片几何尺寸对扩张波与横向波之间相互作用及传播的影响。对与轴向平行或垂直切割而成的单向PVDF薄片，其传播谱的进一步相互比较表明谱上的峰取决于轴向的或横向的波。

对四种示于图12中的、分别标为（1）、（2）、（3）和（4）的薄片结构（所有薄片为1×2cm）已经作了比较。

横宽1cm的PVDF薄片结构（1）-（4）的图13-图16证明了各模式之间能量的转移，并展示出与当前压电材料相关的最佳和临界形状。

使用图9的术语，全长x部分地确定频率，h2与长度之比确定频率和输出。

h21和h2r的±0.5mm的变化是允许的，但因此会在输出上产生快速的衰落，例如±1.0mm引起信号降低4倍。

电极物质对换能器输出的影响是：薄片的分子重量/密度越高且电极厚度越厚，则换能器的输出和振动幅度越低，例如从Al-Ti-Ag-Au排列，在输出的dB值上将产生逐渐的低落。

例3

对图4所示类型的直径为20mm的圆形压电材料进行了主要的测试。与图1或图8所示类型的传感器相比较，其输出低10dB，但这没有将模子内塑料的不充分成型所引起的无效弯曲计入。

本发明的超声波压电换能器特别适用于在空气或其它气体或液体内检测和/或发射超声波振动的系统，这些其它气体包括民用的、在商业上或工业上使用的气体，而液体包括水和海水。

Claims (48)

1、一种超声波换能器，包括具有一定形状的压电材料，籍此，该换能器可在扩张模式下发射和/或接收超声波振动。

2、如权利要求1的换能器，还包括将所述材料成形的装置，该装置与所述材料相配合地工作。

3、如权利要求1的换能器，所述的材料被拉伸，该换能器还包括将所述材料拉伸的装置，该装置与所述材料相配合地工作。

4、如权利要求1、2或3的换能器，其中所述的形状为倒U形。

5、如权利要求1、2或3的换能器，其中所述的形状为马鞍形。

6、如权利要求1、2或3的换能器，其中所述的材料包括一种连接的聚亚乙烯聚合物（poled  polyvinylidene  polymer）或一种1，1-二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物（copolymer  of  vinylidene  fluoride  and  trifluoroethylene）。

7、如权利要求1、2或3的换能器，其中所述的材料是马鞍形的，并且包括一种连接的聚亚乙烯聚合物的薄片。

8、如权利要求1、2或3的换能器，其中所述的材料是倒U形的，并且包括一种连接的聚亚乙烯聚合物的薄片。

9、如权利要求3的换能器，所述的压电材料是如图9所示出的马鞍形的，该图中：d2是一个棒的截面直径，该棒与压电材料相配合地工作用以拉伸压电材料，x是过点B的点A和C之间的材料形状长度，d1是点A和C之间的距离，d3是马鞍形顶部之间的距离，h1是从点A和C的连线至左手边马鞍形顶部的压电材料高度，hr是从点A和C的连线至右手边马鞍形顶部的压电材料高度，h21是压电材料左手边马鞍形的高度，以及h2r是压电材料右手边马鞍形的高度，其中：

1.5×d1≤x≤2.3×d1;

0.5×d1≤hr≤0.9×d1;

0.5×d1≤h1≤0.9×d1;

0.1×d1≤h21≤0.2×d1;

0.1×d1≤h2r≤0.2×d1;

0.05×d1≤d2≤0.2×d1;

0.6×d1≤d3≤0.8×d1.

10、如权利要求9的换能器，其中：

d1＝10mm;

15mm≤x≤23mm;

5mm≤hr≤9mm;

5mm≤h1≤9mm;

1mm≤h21≤2mm;

1mm≤h2r≤2mm;

0.5mm≤d2≤2mm;

6mm≤d3≤8mm.

11、如权利要求10的换能器，其中：

d1＝10mm;

x＝20mm;

hr＝7.5mm;

hl＝7.5mm;

h21＝1.5mm;

h2r＝1.5mm;

d2＝1.0mm;

d3＝6.9mm.

12、如权利要求9、10或11的换能器，其中压电材料包括一种连接的聚亚乙烯聚合物薄片。

13、如权利要求9、10或11的换能器，其中压电材料包括一种连接的聚亚乙烯薄片，其厚度为9μm-35μm。

14、如权利要求1的换能器，所述的压电材料被成形和拉伸，该换能器还包括将所述的压电材料成形和拉伸的装置，该装置与所述的压电材料相配合地工作。

15、如权利要求14的换能器，其中所述的形状是倒U形。

16、如权利要求14的换能器，其中所述的形状是马鞍形。

17、如权利要求14的换能器，其中所述的压电材料包括一种连接的聚亚乙烯聚合物或一种连接的1、1-二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物。

18、如权利要求14的换能器，其中所述的压电材料是马鞍形的，并且包括一种连接的聚亚乙烯聚合物薄片。

19、如权利要求14的换能器，其中所述的压电材料是倒U形的，并且包括一种连接的聚亚乙烯聚合物薄片。

20、如权利要求14的换能器，所述的压电材料是如图9所示的马鞍形的，在该图中：d2为一个棒的截面直径，该棒用于将该压电材料成形和拉伸并与之相配合地工作，点A和C是压电材料是支撑点，x是过点B的点A和C之间的材料形状长度，d1是点A和C之间的距离，d3是马鞍形顶部之间的距离，h1是从点A和C是连线至左手边马鞍形顶部的压电材料的高度，hr是从点A和C的连线至右手边马鞍形顶部的压电材料的高度，h21是压电材料的左手边马鞍形的高度，以及h2r是压电材料的右手边马鞍形的高度，其中：

1.5×d1≤x≤2.3×d1;

0.5×d1≤hr≤0.9×d1;

0.5×d1≤h1≤0.9×d1;

0.1×d1≤h21≤0.2×d1;

0.1×d1≤h2r≤0.2×d1;

0.05×d1≤d2≤0.2×d1;

0.6×d1≤d3≤0.8×d1.

21、如权利要求20的换能器，其中：

d1＝10mm;

15mm≤x≤23mm;

5mm≤hr≤9mm;

5mm≤h1≤9mm;

1mm≤h21≤2mm;

1mm≤h2r≤2mm;

0.5mm≤d2≤2mm;

6mm≤d3≤8mm.

22、如权利要求21的换能器，其中：

d1＝10mm;

x＝20mm;

hr＝7.5mm;

h1＝7.5mm;

h21＝1.5mm;

h2r＝1.5mm;

d2＝1.0mm;

d3＝6.9mm.

23、如权利要求20、21或22的换能器，其中压电材料包括一种连接的聚亚乙烯薄片。

24、如权利要求20、21或22的换能器，其中压电材料包括一种连接的聚亚乙烯薄片，该薄片的厚度为9μm-35μm。

25、如权利要求20、21或22的换能器，其中压电材料包括一种连接的聚亚乙烯薄片，该薄片的厚度为25μm。

26、如权利要求14的换能器，所述的压电材料是如图10所示的倒U形的，在该图中：点A和B是压电材料的支撑点，x是过点C的点A和B之间的材料形状长度，以及d1是点A和B之间的距离，其中：

1.5×d1≤x≤2.3×d1

27、如权利要求26的换能器，其中：

d1＝10mm;以及

15mm≤x≤23mm。

28、如权利要求27的换能器，其中：

d1＝10mm;以及

x＝20mm。

29、如权利要求26、27或28的换能器，其中压电材料包括一种连接的聚亚乙烯薄片。

30、如权利要求26、27或28的换能器，其中压电材料包括一种连接的聚亚乙烯薄片，该薄片的厚度为9μm-35μm。

31、如权利要求26、27或28的换能器，其中压电材料包括一种连接的聚亚乙烯薄片，该薄片的厚度为25μm。

32、一种构造超声波压电换能器的方法，该方法包括：

将压电材料成形和拉伸，籍此，所述的材料能够在扩张模式下发射和/或接收超声波振动。

33、如权利要求32的方法，所述的材料被成形为马鞍形。

34、如权利要求32的方法，所述的材料被成形为倒U形。

35、如权利要求32，33或34的方法，其中所述的材料包括一种连接的聚亚乙烯聚合物薄片。

36、如权利要求9-11，20-22或26-28中的任一个换能器，其中压电材料的宽度为1mm-500mm。

37、如权利要求9-11，20-22或26-28中的任一个换能器，其中压电材料的宽度为5mm-20mm。

38、如权利要求9-11，20-22或26-28中的任一个换能器，其中压电材料的宽度为10mm。

39、一种超声波压电换能器，包括具有一定形状的并被拉伸的压电材料，并连同用于将所述材料拉伸的装置，该装置与所述材料相配合地工作，籍此，该换能器能够发射和/或接收具有在10kHz-200kHz频率范围内的振动峰的超声波振动。

40、如权利要求39的换能器，其中所述的范围是80kHz-120kHz。

41、如权利要求40的换能器，其中所述的范围是95kHz-105kHz。

42、如权利要求39的换能器，其中所述的范围是15kHz-60kHz。

43、如权利要求40的换能器，其中所述的范围是15kHz-30kHz。

44、一种超声波压电换能器，包括被成形和被拉伸的压电材料，并连同将所述材料成形和拉伸的装置，该装置与所述材料相配合地工作，籍此，该换能器能够发射和/或接收具有在10kHz-200kHz频率范围内的振动峰的超声波振动。

45、如权利要求44的换能器，其中所述的范围是80kHz-120kHz。

46、如权利要求45的换能器，其中所述的范围是95kHz-105kHz。

47、如权利要求44的换能器，其中所述的范围是15kHz-60kHz。

48、如权利要求45的换能器，其中所述的范围是15kHz-30kHz。

49、如权利要求1的换能器，其中压电材料是如图9所示的马鞍形的，在图中：点A和C是压电材料的支撑点，x是过点B的点A和C之间的材料形状长度，d1是点A和C之间的距离，d3是马鞍形顶部之间的距离，h1是从点A和C的连线至左手边马鞍形顶部的压电材料的高度，hr是从点A和C的连线至右手边马鞍形顶部的压电材料的高度，h21是压电材料的左手边马鞍形的高度，以及h2r是压电材料的右手边马鞍形的高度，其中：

1.5×d1≤x≤2.3×d1;

0.5×d1≤hr≤0.9×d1;

0.5×d1≤h1≤0.9×d1;

0.1×d1≤h21≤0.2×d1;

0.1×d1≤h2r≤0.2×d1;

0.6×d1≤d3≤0.8×d1.

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