CN107484085A - 一种声频定向换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声频定向换能器，包括上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、第一电极、压电薄膜、第二下层阵列、第二电极、紧固单元和真空盒；上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、压电薄膜和第二下层阵列依次层叠设置，并通过紧固单元固定在真空盒上；第一电极和第二电极用于将外部电压分别加载到第一下层阵列和第二下层阵列；第一下层阵列和第二下层阵列均包括多个圆形阵列单元排列成正六边形形状；上层阵列中包括多个圆形阵列单元排列成正六边形形状；下层阵列中相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线与上层阵列中相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度的比值为1：(0.8～1.2)。本发明的声频定向换能器兼具高声压级与良好的指向性。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种具有声频定向功能的压电式换能器阵列结构。
【背景技术】
声频定向技术从20世纪60年代开始受到越来越多研究学者的关注，并逐渐应用于人们的工作与生活之中。由于空气并非严格意义上的理想气体，对于响度很大或者频率很高的声波，传统的小振幅声学理论已不适用。根据声学参量阵的理论，当两列具有明显指向性，频率分别为f1，f2的超声波沿同一方向传播时，会发生相互作用产生2f1，2f2，(f1+f2)，(f1-f2)等频率的声波。随着声波不断向前传播，高频率的声波会较快地衰减完毕，而低频率的声波衰减较慢从而可以传播较长距离，由此实现指向性可听声波的传播。
在声频定向系统中，信号处理与换能器的设计为核心组成部分，决定着指向性声波的输出性能。近几十年对于信号处理的研究较多，经过反复测试与改进，研究人员已经开发出效率高，失真度低的优化算法，能够满足实际应用的要求。而对于压电换能器的研究进展相对缓慢，制约着声频定向扬声器的性能提升与应用推广。因此，发明高性能的声频定向换能器具有重要的意义。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种声频定向换能器，兼具高声压级与良好的指向性。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种声频定向换能器，包括上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、第一电极、压电薄膜、第二下层阵列、第二电极、紧固单元和真空盒；所述上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、压电薄膜和第二下层阵列依次层叠设置，并通过紧固单元固定在真空盒上，所述真空盒内部对应所述压电薄膜的区域形成有空腔，用于为所述压电薄膜提供负压环境；所述第一电极设置在所述第一下层阵列上，所述第二电极设置在所述第二下层阵列上，所述第一电极和第二电极用于将外部电压分别加载到所述第一下层阵列和所述第二下层阵列；所述第一下层阵列和第二下层阵列为相同结构，包括多个圆形阵列单元排列成正六边形形状，所述圆形阵列单元的直径a1在17.8～26.8mm的范围内，相邻圆形阵列单元的间距为a1+5mm；所述上层阵列中包括多个圆形阵列单元排列成正六边形形状，相邻圆形阵列单元的间距d2在3.42～6.8mm的范围内，圆形阵列单元的直径为d2-2mm；下层阵列中的相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度与所述上层阵列中的相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度的比值为1：(0.8～1.2)。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
本发明的声频定向换能器，通过两个下层阵列叠加紧固压电薄膜，且下层阵列中的各阵列单元为特定尺寸范围的圆形阵列单元且按照特定尺寸排列成正六边形，同时通过层间隔框叠加一上层阵列，且上层阵列中的各阵列单元为特定尺寸范围的圆形阵列单元且按照特定尺寸排列成正六边形，这样，下层阵列结构为换能器获得较高声压级，上层阵列结构为换能器获得较好指向性，两者协调配合最终使得下层阵列和上层阵列复合而成的阵列结构既具有声压级高的特点，也具有指向性好的特点。
【附图说明】
图1是本发明具体实施方式中的压电换能器的结构示意图；
图2a是本发明具体实施方式的复合式阵列中下层阵列的结构示意图；
图2b是本发明具体实施方式的复合式阵列中上层阵列的结构示意图；
图3a是本发明具体实施方式中模拟的下层阵列单独工作的有限元模型图；
图3b是本发明具体实施方式中模拟的上层阵列单独工作的有限元模型图；
图3c是本发明具体实施方式中模拟的复合阵列工作的有限元模型图；
图4是本发明具体实施方式中三种阵列的输出声压级的模拟结果对比示意图；
图5是本发明具体实施方式中三种阵列的指向性的模拟结果对比示意图；
图6是本发明具体实施方式中测试换能器时的测试平台结构示意图；
图7是本发明具体实施方式中下层阵列与复合阵列的声压级对频率响应的测试结果与模拟结果；
图8是本发明具体实施方式中下层阵列与复合阵列的指向性的测试结果。
【具体实施方式】
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。
本具体实施方式中提供一种声频定向换能器，包括上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、第一电极、压电薄膜、第二下层阵列、第二电极、紧固单元和真空盒。
其中，上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、压电薄膜和第二下层阵列依次层叠设置，并通过紧固单元固定在真空盒上，真空盒内部对应压电薄膜的区域形成有空腔，用于为压电薄膜提供负压环境。一般地，可通过真空盒另一端设置真空阀，通过真空阀对空腔中抽真空从而为真空盒上方的压电薄膜提供负压环境。
第一电极设置在第一下层阵列上，第二电极设置在第二下层阵列上，第一电极和第二电极用于将外部电压分别加载到第一下层阵列和第二下层阵列，进而为所夹持的压电薄膜的上下两面施加电压信号。
第一下层阵列和第二下层阵列为相同结构，包括多个圆形阵列单元排列成正六边形形状，圆形阵列单元的直径a1在17.8～26.8mm的范围内，相邻圆形阵列单元的间距为a1+5mm。上层阵列中包括多个圆形阵列单元排列成正六边形形状，相邻圆形阵列单元的间距d2在3.42～6.8mm的范围内，圆形阵列单元的直径为d2-2mm。下层阵列中的相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度与上层阵列中的相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度的比值为1：(0.8～1.2)。
具体地，在由该双下层阵列与上层阵列组成的复合阵列结构中，换能器的输出声压级主要受下层阵列的结构影响，指向性主要受上层阵列的结构影响。
为获得最大的输出声压级，换能器的工作频率应与换能器的固有频率相接近。对于薄圆片形的阵列单元，其固有频率f与单元半径r存在如下关系：
其中，Y,σ,ρ分别为压电薄膜的杨氏模量，泊松比与密度，其数值可实测得到。一般地，对于工作频率为40-60kHz的换能器阵列，经计算得到圆形阵列单元半径r为8.9-13.4mm，也即直径a1在17.8～26.8mm的范围内，可实现较大的输出声压级。而在圆形阵列单元的直径确定的情形下，设置相邻圆形阵列单元的间距d1为a1+5mm可使得阵列单元较为合适地分布排列开。
为获得较好的指向性，经研究上层阵列的阵列单元之间的间距d2与声波波长λ的比值应在0.6-0.8之间。对于在空气中传播的频率为40-60kHz的声波，其波长为5.7-8.5mm，由此设置间距d2的取值为3.42-6.80mm。在相邻圆形阵列单元之间的间距确定的情形下，设置圆形阵列单元的直径为d2-2mm，可使得圆形阵列单元尺寸合适，且分布排列也较适宜。
将下层阵列中的相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度与上层阵列中的相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度的比值设置为1：(0.8～1.2)，即下层阵列为数量较少的大尺寸、大间距阵元排列，上层阵列为数量较多的小尺寸、小间距阵元排列，且排列后的阵列分布的面积较接近，从而可使得上下层阵列均得到有效利用，最终获得声压级高、指向性好的复合阵列结构。需说明的是，上层阵列和下层阵列中圆形阵列单元的具体数量没有限制，无论数量多少，只要以符合上述要求的形式排布成正六边形的阵列即能最终获得声压级和指向性方面的效果提升。
如图1所示，为一具体的声频定向换能器的结构示意图。其中，2为第一下层阵列，1为第二下层阵列，结构相同，均包括基板和设置在基板上的多个圆形阵列单元。材质为铝合金，尺寸为100mm×100mm×3mm。3为PVDF压电膜，尺寸为100×100×0.02mm，其上下表面分别与第一下层阵列2和第二下层阵列1接触。作为一种柔性压电材料，聚偏二氟乙烯(PVDF)压电膜相比于压电陶瓷材料，其对空气的声阻抗低，从而降低了压电材料向空气中传播振动时的损耗。同时，PVDF具有较好的韧性，可以有效抵抗高频振动时产生的疲劳断裂。其次，PVDF易于大面积生产，且具有较好的一致性与稳定性，从而可以提高换能器阵列性能的均一性。因此，优选为PVDF压电膜。
4与5分别为两个电极，材质为铜。其中，电极4设置在下层阵列1上，电极5设置在下层阵列2上。电极4和5的空置端与外部的信号源相连，从而将外部电压分别加载到下层阵列1和2上，进而为中间夹持的PVDF压电膜3提供电信号。
上层阵列7的材质为铝合金，尺寸为100×100×2mm。6为层间隔框，材质为铝合金，尺寸为100×100×2mm，位于上层阵列7与第一下层阵列2之间。层间隔框6具有一定厚度，其框住的空间为PVDF压电膜3在所加载的电信号作用下生成的超声波提供一定的传输空间。
第二下层阵列1、第一下层阵列2、PVDF压电膜3、层间隔框6、上层阵列7通过塑料螺钉8与塑料螺母9进行紧固连接，同时，PVDF压电膜3与下层阵列1、2之间固定在一起，不产生相对位移。
为提高PVDF压电膜3的输出性能，在压电换能器工作时，通过抽负压的方式为PVDF压电膜3施加预紧力，使得压电材料因交变电压产生的内应力可充分转换为外部形变。因此，在换能器阵列下方设置一个真空盒10，其中一面与换能器阵列配合，并在接合处涂ab胶以保证气密性，另一端设有真空阀，从而在工作时为PVDF压电膜3提供负压环境。
图2a为下层阵列的结构示意图。各个圆形阵列单元的直径a1为25mm，阵列间距d1为30mm。圆形阵列单元呈正六边形阵列排列分布，即阵列在x轴上，与x轴夹角60°的方向上，相邻两圆形单元的圆心距离均为d1。在尺寸为100×100mm的方形基板上，以上述形式布置7个圆形阵列单元，即相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度为85mm。图2b为上层阵列的结构示意图。各个圆形阵列单元的直径a2为4mm，阵列间距d2为6mm。在尺寸为100×100mm的方形基板上以正六边形阵列的形式布置了127个圆形阵列单元，即相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度为76mm。图2a和图2b中基板四个角落的孔示意为螺钉8穿过的通孔，直径是5mm。
对于上述结构的换能器的输出性能，首先通过COMSOL多物理场有限元模拟软件进行模拟。如图3a～3c所示，分别为下层阵列单独工作、上层阵列单独工作、上下层复合阵列工作的模型图。模型中的材料性能按照实际器件中使用的材料性能进行设置。PVDF压电膜的上表面施加峰值为20V的交变电压，下表面为接地端(电势恒为0)。对于声场最末端的半球壳设置为平面波传播，表明声波传播到该处则继续传播，不产生反射。
如图4和5所示，分别为三种形式的阵列的模拟输出性能对比示意图。图4为三种阵列的模拟声压级输出响应的对比，其模拟频率范围为35-65kHz(实际器件的工作频率)。从图4可以看出，复合阵列的频率响应规律基本与下层阵列一致，具有较高的响应声压级。而之所以响应声压级较高，是因为半径12.5mm的圆形阵列单元在40kHz附近存在谐振效应，压电膜可以产生较大形变位移。对于复合阵列结构，由于存在上层阵列的遮挡，因此复合阵列输出的声压级强度相对于下层阵列单独工作时略有下降，最大响应声压级为78dB。而上层阵列的阵元尺寸较小，在35-65kHz下阵列几乎没有径向的谐振效应(根据相关公式可以算得其谐振频率约为268kHz)，因此在35-65kHz的频率范围内声压级的输出响应相对较弱。
图5为三种阵列的模拟指向性性能的对比。从图5可以看出，复合阵列的指向性集中程度介于两种阵列单独工作时的指向性的优劣程度之间。与下层阵列的指向性相比，旁瓣的强度明显减弱，主瓣的半功率开角约为15°，总体上声束的指向性的尖锐程度得到提高。这表明通过上层阵列的调节作用，下层阵列的指向性可以得到改善。
如下通过实际测试换能器的输出性能，分析其实际性能数据。
如图6所示为测试时的连接示意图。测试用的信号源为信号发生器1和信号发生器2同时输入的单频信号，频率分别为40kHz与45kHz，测试距离设置为0.5m，输入电压通过电压放大器提高到60V为换能器供电。换能器中抽取一定负压使PVDF压电膜张紧。将换能器放置于测试转台上，通过测试转台的转动调节，信号接收端使用声强计可测量得到换能器在不同角度下的声压级大小。测试时，声强计与换能器的中心在同一水平线上，随着测试转台的旋转，记录下换能器的中心在相对于声强计的不同角度下的声压级强度，再根据指向性函数的定义计算出相应的指向性函数。
图7为换能器复合阵列与单独的下层阵列的声压级对频率的响应曲线的实际测试结果，并与模拟结果进行了对比。根据测试结果，下层阵列的谐振峰在43kHz附近，最大响应声压级为87dB。复合阵列的谐振峰在42kHz附近，最大响应声压级为83dB。二者的谐振峰测试结果存在一定误差，但总体响应的变化趋势基本一致，平均声压级在70dB以上，输出性能可以满足应用需求。由于上层阵列的遮挡，复合阵列的输出声压级相比于下层阵列单独作用时低，这也与图4的模拟结果大致相符。
图8为换能器复合阵列与单独的下层阵列的指向性测试结果。如图8所示，通过使用复合阵列，其指向性有所提高，与图5中模拟预测的规律相符。通过该测试结果，可表明小阵元、小间距的上层阵列可以对较大阵元、较大间距的下层阵列发出的声波进行重新调整，从而提高复合后的阵列的指向性。换能器器件输出的指向性半功率开角由60°提高到30°。
通过上述模拟结果和实际测试结果，表明本具体实施方式的换能器阵列可解决在换能器领域中输出声压级与指向性难以协调的矛盾，本具体实施方式的换能器可兼具高声压级以及良好指向性的优点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种声频定向换能器，其特征在于：包括上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、第一电极、压电薄膜、第二下层阵列、第二电极、紧固单元和真空盒；所述上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、压电薄膜和第二下层阵列依次层叠设置，并通过紧固单元固定在真空盒上，所述真空盒内部对应所述压电薄膜的区域形成有空腔，用于为所述压电薄膜提供负压环境；所述第一电极设置在所述第一下层阵列上，所述第二电极设置在所述第二下层阵列上，所述第一电极和第二电极用于将外部电压分别加载到所述第一下层阵列和所述第二下层阵列；所述第一下层阵列和第二下层阵列为相同结构，包括多个圆形阵列单元排列成正六边形形状，所述圆形阵列单元的直径a1在17.8～26.8mm的范围内，相邻圆形阵列单元的间距为a1+5mm；所述上层阵列中包括多个圆形阵列单元排列成正六边形形状，相邻圆形阵列单元的间距d2在3.42～6.8mm的范围内，圆形阵列单元的直径为d2-2mm；下层阵列中的相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度与所述上层阵列中的相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度的比值为1：(0.8～1.2)。
2.根据权利要求1所述的声频定向换能器，其特征在于：所述第一下层阵列和第二下层阵列中的圆形阵列单元的直径为25mm，相邻圆形阵列单元的间距为30mm。
3.根据权利要求1所述的声频定向换能器，其特征在于：所述上层阵列中的圆形阵列单元的直径为4mm，相邻圆形阵列单元的间距为6mm。
4.根据权利要求1所述的声频定向换能器，其特征在于：所述压电薄膜为PVDF压电膜或者压电陶瓷。
5.根据权利要求1所述的声频定向换能器，其特征在于：所述紧固单元包括螺钉和设置在所述真空盒上的螺母，所述螺钉依次穿过所述上层阵列、第一下层阵列、第二下层阵列上的通孔，与所述螺母紧固连接。
6.根据权利要求1所述的声频定向换能器，其特征在于：所述上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、压电薄膜和第二下层阵列均为正方形结构。
7.根据权利要求1所述的声频定向换能器，其特征在于：所述上层阵列、层间隔框、第一下层阵列和第二下层阵列的材质为铝合金。
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