CN105987960A - 超声波发射器 - Google Patents

Abstract

一种超声波发射器(1、100)，包括成形的发射头部(2)和被设置成接触所述成形头部(2)的压电器件(3)。所述头部(2)可在发射器(1)内部移动，其包括适用于推动头部(2)和压电器件(3)以便在压电器件(3)的尺寸反复变化期间维持其相互接触的偏压器件(4、5、50)。

Description

超声波发射器

技术领域

本发明涉及一种超声波发射器，特别但不仅仅旨在用来检测木制品(诸如，例如通过压制木质性能的松散材料所制成的面板)中的均质性缺陷。

背景技术

在木质的面板或层成形之后使它们经过工艺线时，对这些木质的面板或层的均质性的缺陷执行检测的实践是众所周知的。

该检测是借助于一种设备来执行的，所述设备基本上包括多个用于发出(或者发射)声波的发射装置和多个接收装置，所述声波特别是超声波频率的声波，该发射装置在发射中在面板的一侧上操作，该接收装置在同一面板的相反侧上、离发出器预设距离处操作。

虽然对该类方案的有效性的体验已经被证实，但是出现了对一种能够使对于上述产品的缺陷检测的分辨率更好并且同时是简单的且经济的构想和结构的发射器的需求。

构造用于在水中发射声波的超声波发射器(例如，用于水运目的)也是已知的。

该类发射器在通过空气的发射中实际上不工作，并且特别是其具有以下所述的缺陷。

这些发射器包括压电元件，所述压电元件夹在发射头部与“后质量块”或“背衬”之间，该发射头部包含在所谓的“前质量块(mass)”中，如按技术俗语所述的。

众所周知，压电元件当被可变电压充分地激励时经受周期性的体积变化。

在已知发射器中，当压电元件膨胀并且撞到发射头部上时，其将机械能传输给发射头部。

在已知方案中，使用螺钉来连接前质量块和背衬，并且借助于螺母来拧紧螺钉，以限定其中发射头部相对于背衬保持固定的装置。

然而，前质量块与背衬之间的恒定压紧极大地减小了压电元件的运动自由度，这对所传送的能量构成了限制，并且实际上限制了使用已知发射器的有效性。

特别是，已知方案不能有效地应用于通过空气的发射，例如为了检测木质面板中的均质性缺陷的目的。

发明内容

在本文中，本发明基本的技术任务是提供一种超声波发射器，其满足上述的需求并且克服了现有技术的局限性。

通过根据权利要求1构造的超声波发射器来完成所述技术任务。

附图说明

本发明的附加特点和优点从如附图中所示的超声波发射器的优选的但并非排他的实施例的大概的且因此非限制性的说明中变得显而易见，其中：

-图1是本发明发射器的第一实施例的示意性纵向截面图；以及

-图2是发射器的第二实施例的示意性纵向截面图。

具体实施方式

参见附图，在本文中呈现的两个实施例中，附图标记1和100整体标示出根据本发明的超声波发射器。

所提出的发射器1、100包括成形的发射头部2，该发射头部优选是由铝制成的，用来在空间中的预定方向D上发射超声波。

详细地，本发明包括包含成形头部2的“前质量块”2、10、11。

此外，本发明的发射器1、100包括压电器件3，该压电器件设置成用以接触成形头部2并且当电气控制激励时向该成形头部处传输振动。

本发明还包括电声换能器，该电声换能器能由于包含在压电器件3中的弹性固体的震动而将由特定能源提供的电能转换成机械能。

原则上不排除其中使用本发明来既产生又接收超声波的应用，虽然在下文中将参考其中所提出的发射器1、100仅计划用于发射而特定的接收器设置成用于接收的情况。

如以下更好地阐明的，本发明的发射器1、100专门计划用于通过空气传播超声波，优选是为了检测上述木质面板内部可能由于气泡、裂开或者裂缝导致的均质性的缺陷。

上述压电器件3可包括多个连接至上述电源的压电元件30(例如，散布有金属电极31)。

压电元件30可例如为陶瓷的或者为适于其目的的不同类型。

在所示实施例中，压电元件30具有环形形状，优选圆筒形形状；在该情况中，电极31是圆形隆起形状的层。

头部2可以是如图1中所示的板状的，或者，可以具有向外变宽(即，变厚)的形状；例如，头部2可以像图2的实例那样地具有截锥体或者类似形状。

根据本发明的重要方面，头部2可在发射器1、100内部运动，发射器包括适用于推压头部2和压电器件3以便在压电器件3的尺寸反复变化期间维持推压头部2和压电器件3相互接触的偏压器件4、5、50。

由于该种方案，克服了现有技术的缺陷。

实际上，一方面，避免了压电器件与发射头部之间的连续性或者邻接方面的任何中断并且从而获得了极好的阻抗匹配(impedancematching)；同时，允许压电器件3的足够运动自由度，因此能够以高输出实现大功率发射。

在本发明如何运作的说明中将进一步解决所述方面。

以下描述了本发明构思的某些可能的执行过程。

首先，偏压器件4、5、50优选被连接至(也可间接地连接至)发射头部2并且适合于推压发射头部以便维持与压电器件3的邻接，注意到压电器件3自身与头部2接触地安装在发射器1、100中。

优选是，如可以在附图中看到的，头部2被固定或者在任何情况下被稳固地束缚至操纵元件6，该操纵元件与偏压器件4、5、50相联并且可相对于压电器件3运动。

详细地，操纵元件可包括滑杆6，滑杆例如与头部2同轴并且基本上是刚性的滑杆，或者在任何情况下是基本上不可变形的细长构件，其可以在头部2的内侧(即，面向压电器件3的那侧)上联接至头部2。

如上所述，压电器件3可基本上是由具有环形形状或者在任何情况下设有可滑动地容纳操纵元件6的空腔的压电元件30和电极31的堆构成的。

优选是，操纵元件6配合在由绝缘材料制成的管子9上，该管子被插入压电器件3与操纵元件6自身之间。

在本发明的特定方案中，发射头部2顺应(conform)操纵元件6，该操纵元件因而源自于头部2的内侧并且朝向发射器1、100的内侧轴向地延伸至与头部2自身相反的远端61。

优选是，提供被稳固地联接至操纵元件6的抵接元件7。

特别是，抵接元件位于包括上述远端61的端部部分中，该抵接元件可以是安装在操纵元件6上的环形台肩7。

本发明可以设有横向于发射器1、100的轴线定位的支架8、80，所述支架例如是平面类型的。

还应当注意到，金属套管14、15可以被配置在压电器件3与支架8、80之间，并且与平面的支架8、80一起，其有助于相对于前质量块限定发射器1、100的后部部分。

实际上，在本发明的优选实施例中，在上述台肩7(或者另外的抵接元件)与支架8、80之间插入偏压器件4、5，该支架可包括用于上述杆6(或者其他操纵元件)轴向滑动的通道81。

无论何时，随着电激励，压电器件3经历了将机械能传输至头部2的膨胀，并且台肩7由滑杆6拉拽以便按压在偏压器件4、5上。

当压电器件3缩回时，偏压器件4、5、50推压台肩7，该台肩经由杆6朝向发射器1的内侧拉拽发射头部2，以便维持头部2与压电器件3之间的物理连续性，即，接触。

因此，在发射器1、100的操作期间，压电器件3经历了形状上的周期性变化，并且头部2经受了“追随”运动，以便将可能的阻抗匹配维持始终恒定。

有利地，本发明的头部2具有与现有技术相反的特性。

实际上，现有技术的发射器的头部相对于相关联的背衬被固定，然而本发明所提出的发射器1、100的头部2像扩音器那样与压电器件3相对应地振动，以便确保通过空气发射，这就所使用的电力而言不但完美有效而且高效。

偏压器件4、5、50可以包括中心通孔，用以接收上述的杆6。

在图1中所示的本发明的第一实施例中，偏压器件4、5可包括一个或多个弹性元件4和/或弹簧5(例如，螺旋式弹簧)，所述弹性元件由弹性体材料制成，并夹在台肩7与支架8之间，所述弹簧位于发射器1的内部空腔13中，所述杆6在该内部空腔中滑动。

优选是，偏压器件4、5配有弹性元件和弹簧5两者。

弹簧可以被定位在弹性元件内部并且在所述金属套管14与台肩7之间延伸，其中内部空腔13至少部分地制成(fashioned)在该套管14中。

在第二实施例中，偏压器件可以包括如图2的实例中的外部弹簧50或者可以被如第一实施例那样构造。

在本发明的第一实施例中，如所述地，发射器1的后部部分包括上述支架8和套管14两者(图1)。

后部部分8、14的结构被设计成用于通过吸收在发射期间不可避免地产生的反射功率而在发射器1中产生带增(band increase)。

优选是，支架8是由吸音材料制成的平坦层，并且套管14是由阻抗处于压电器件3与支架8自身中间的材料制成的。

以这种方式，套管14产生了用于反射的功率的阻抗匹配，该反射的功率然后可以被支架吸收。

从所提出的发射器1的几何形状的角度看，平坦的吸音层8还构成了相对于发射器1的各构件的运动的固定基准。

应当注意到，所提出的方案还可以被配置成包括配备有同一公共的平坦支承层8的多个发射器1的超声发射系统。

在该情况中，支架8与套管14之间的联接还用来防止不同的发射器1的相互干涉，因为可以围绕单个发射器传播的反射波被有利地吸收。

在第二实施例中，发射器100的后部部分同样包括与压电器件3接触地定位的金属套管15。

然而，在该情况中，套管15是由重型材料(诸如，钢或者钨)制成的，具有朝向头部2反射功率的功能，该功率由于压电器件3与头部2自身之间较小但是不可避免的阻抗失配进而被反射离开该头部。

如所述的，本发明已经设想到尤其用于通过空气的发射；因此，上述前质量块优选还包括与头部2接触地设置并且适用于使压电器件3与空气之间的声抗匹配的适配器件10、11。

详细地，适配器件10、11位于发射头部2的最外侧，即，发射超声波的那侧。

适配器件可以包括优选与头部2接触的至少一层多孔聚氯乙烯(PVC)10，并且可以包括与所述PVC层接触的一层聚乙烯炮沫11。

实际上，本发明可以包括由至少三个层构成的前质量块2、10、11，其中一层是由铝制成的(头部2)，一层是PVC层10或者任何情况中具有小于500kg/m³密度的材料层，一层是聚乙烯层11或者任何情况中具有小于80kg/m³密度的材料层。所述层10、11两者可以具有圆盘形状。

可以在发射头部2的外周或者周边上安装O形环12或者其他类似密封件(参见图1)。

优选是，除了上述支架8、80之外，发射器1、100具有细长伸展部，其中各种构件沿轴向相继地定位以限定出本发明的不同横向区段。

详细地，发射器1被限定在两个相反端部之间，在所述两个相反端部之间依次设有以下构件：适配器件10、11；发射头部2；压电器件3；金属套管14、15；支架8、80；偏压器件4、5；和抵接元件7。

为了确保在检测面板内部的均质性缺陷方面的更有效使用，适配器件的头部2和层10、11优选具有包含在55到65mm之间、并且更优选基本上等于60mm的外径。

此外，上述聚乙烯泡沫层11可以具有包含在2到4mm之间、或者优选基本上等于3mm的厚度。

另外，PVC层10可以具有包含在7到9mm之间、或者优选基本上等于8mm的厚度。

最后，压电器件3可以包括两到四个环形压电元件30，每个压电元件优选具有包含在37到39mm之间、并且甚至更优选基本上等于38mm的外径；每个压电元件的厚度可以在7到9mm之间、并且优选基本上等于8mm。

Claims (15)

1.一种超声波发射器(1、100)，包括成形的发射头部(2)和压电器件(3)，所述压电器件设置成接触所述成形的发射头部(2)，其特征在于，所述发射头部(2)能在所述发射器(1)内运动，所述发射器包括适于推压所述发射头部(2)和所述压电器件(3)的偏压器件(4、5、50)，以便在所述压电器件(3)的尺寸反复变化期间保持所述发射头部和所述压电器件相互接触。

2.根据前述权利要求所述的发射器(1、100)，其中所述偏压器件(4、5)连接至所述发射头部(2)。

3.根据前述权利要求所述的发射器(1、100)，包括被稳固地束缚至所述发射头部(2)并且与所述偏压器件(4、5)相联的操纵元件(6)，所述操纵元件能相对于所述压电器件(3)运动。

4.根据前述权利要求所述的发射器(1、100)，其中所述压电器件(3)设有可滑动地容纳所述操纵元件(6)的空腔。

5.根据至少任一项前述权利要求所述的发射器(1)，其中所述偏压器件(4、5)包括至少一个由弹性体材料制成的弹性元件(4)。

6.根据至少任一项前述权利要求所述的发射器(1、100)，其中所述偏压器件(4、5、50)包括至少一个弹簧(5、50)。

7.根据权利要求3-6中的至少一项所述的发射器(1、100)，包括整体地联接至所述操纵元件(6)的抵接元件(7)，所述偏压器件(4、5、50)适于作用在所述抵接元件(7)上。

8.根据至少任一项前述权利要求所述的发射器(1)，包括适用于支承所述发射器(1)的其余部分的支架(8)，所述支架(8)是由吸音材料制成的。

9.根据前述权利要求所述的发射器(1)，包括能允许与吸音支架(8)阻抗匹配的套管(14)。

10.根据至少任一项前述权利要求所述的发射器(100)，包括布置成与所述压电器件(3)接触并且能反射超声波的套管(15)。

11.根据至少任一项前述权利要求所述的发射器(1、100)，包括适配器件(10、11)，所述适配器件布置成与所述发射头部(2)接触并且适于使得所述发射头部(2)与空气之间声抗匹配。

12.根据前述权利要求所述的发射器(1、100)，其中所述适配器件(10、11)包括至少一层多孔聚氯乙烯(10)。

13.根据权利要求11或权利要求12所述的发射器(1、100)，其中所述适配器件(10、11)包括至少一层聚乙烯(11)。

14.根据权利要求7、8和9所述的发射器(1、100)，具有限定在两个相反端部之间的基本上细长的伸展部，在所述两个相反端部之间依次设有：适配器件(10、11)、发射头部(2)、压电器件(3)、支架(8、80)、偏压器件(4、5、50)和所述抵接元件(7)。

15.一种超声波系统，包括多个根据权利要求8到14中至少一项所述的发射器(1、100)，所述发射器(1)配备有单个公共支架(8)。