CN108543689A - 具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，其结构是在壳体的辐射端面上设置有能够改变振动模态和声匹配的穿孔匹配板，在穿孔匹配板上层叠设置有可产生平面径向振动模态的压电元件，以压电元件为激励源，可以激发穿孔匹配板产生弯曲振动并辐射超声波；本发明不但改善了传统的气介超声换能器的声匹配问题，而且可以增大带宽，改善换能器的声波辐射，提高换能器的分辨率和作用范围。
Description
技术领域
本发明属于超声换能器技术领域，特别设计一种具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器。
背景技术
众所周知，在声频范围内，由于声波的频率较低，换能器的尺寸基本上小于声波的波长，因此，换能器的指向性呈现出球型辐射的特点。然而，在超声频范围，情况就不一样了。当频率升高时，声波的波长接近或小于换能器的几何尺寸，此时换能器的辐射声场出现明显的指向性。另一方面，当换能器的频率升高时，声波的折射变得越来越小，声场可以近似看成由许多声线组成的，就像光学中的光线一样。
在空气中发射和接收超声波，以及以气体为耦合介质进行超声检测是检测声学的一个重要领域。气介超声检测的优点主要表现在以下两个方面：一是其非接触检测方式，适合于无法使用水或其它耦合剂的许多应用领域；二是气体中声波波长短，在气体中进行成像或测距具有更高的分辨率和精度。
在气介超声换能器的设计和研制过程中，必须考虑超声波的衍射和吸收对频率的依赖性。例如，如果超声的波长和需要探测的物体的尺寸比较接近，由于声波的衍射而形成的声影会影响物体的识别。在这些情况下，必须提高超声波的频率。另一方面，当超声的频率提高时，空气中超声的吸收随之增大，导致超声的可探测距离受到影响。因此，在实际应用中，必须兼顾到超声波的工作频率与探测距离之间的对应关系。根据众多的理论分析以及实际经验，针对空气中的超声波应用，人们常常应用所谓的半值距离的概念。半值距离定义为超声波的声压降到初始值的一半时所传播的距离。很显然，当换能器的频率升高时，其半值距离将减小。表1列出了一些比较常用的半值距离及其对应的频率。
表1.空气中超声波传播的半值距离及其对应的频率
| 频率(kHz) | 半值距离(m) |
| 20 | 10 |
| 50 | 3 |
| 100 | 2 |
随着超声波技术的发展，超声波空气应用技术获得了广泛的应用。与空气介质对应的超声波应用技术主要包括超声测距、超声物体识别、交通流量的超声波检测、超声波防盗监控、风速的超声测量、工业机器人、料位监测、超声波除尘、干燥以及超声凝聚等等。在所有的气介超声波应用技术中，气介超声换能器是一个关键的部分。相对于其他接触类超声波换能器而言，气介超声换能器具有非接触、无需耦合剂、容易实现实时在线检测等优点。但由于空气介质本身特有的特性阻抗低以及介质声吸收强等特点，传统的气介超声换能器具有一些固有的缺陷，如气介超声波换能器的阻抗失配、电声效率低、频带窄、分辨率低、空气中的声波吸收大以及声波作用范围小等等。为了克服或者改善这些与空气介质中的超声波应用技术相关的特有的技术问题，人们对气介超声波换能器进行了许多研究，也发展了多种具有不同的换能器材料、工作模态、不同形式和结构的气介超声波换能器，如压电陶瓷气介超声波换能器、激光超声波检测换能器、电磁超声波换能器、静电超声波换能器以及微加工超声波换能器等等。
目前，在气介超声换能器中，压电陶瓷换能器仍然是应用最为广泛的一种，因为气介式压电陶瓷超声换能器能够在较为恶劣的环境下工作，而且结构简单、激励电路简单、性能可靠以及不受应用环境的影响。压电陶瓷气介超声换能器不仅可以用于产生超声，而且可以用来接收超声。压电陶瓷气介超声换能器的应用很多，其原因之一在于超声的频率位于人耳的听觉范围以外，第二个原因在于超声的波长较短，因此可以用较小尺寸的换能器得到比较好的指向性。
截至目前，气介式压电陶瓷超声换能器中最主要的包括叠片式弯曲换能器、径向振动圆环型换能器以及由纵向振动夹心式换能器与弯曲振动板组成的模式转换型大功率气介超声换能器。叠片式弯曲振动超声换能器包括双叠片以及三叠片。此类结构的气介超声波换能器结构简单，在超声及水声领域获得了比较广泛的应用，但精确的理论分析较为复杂。
对于气介式压电陶瓷超声换能器，由于压电陶瓷换能器的声阻抗与气体的声阻抗相差甚远，因而存在严重的阻抗失配问题，从而导致换能器的辐射效率降低、频带窄、检测分辨率低等问题。为了改善声匹配，提高气介式超声换能器的辐射效率，人们采用了多层匹配板以及压电复合材料换能器等等。对于多层匹配板换能器，由于声波的多次反射以及匹配材料的选择等问题，限制了其广泛的应用。对于压电复合材料换能器，尽管可以在一定程度上改善换能器的声匹配，但换能器的制作加工工艺较为复杂，导致换能器的成本升高。另外，由于非压电陶瓷材料的加入，降低了换能器的有效机电耦合系数以及换能器的辐射功率，因而影响了换能器的作用距离。
发明内容
为了克服现有的超声换能器所存在不足，本发明提供了一种具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，其可以增大带宽，改善换能器的声波辐射，提高换能器的分辨率和作用范围。
同时，本发明还提供了一种用上述具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器实现的宽带气介超声换能方法。
本发明所采用的技术方案是：
该具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，包括壳体1，在壳体1的辐射端面上设置有能够改变振动模态和声匹配的穿孔匹配板2，在穿孔匹配板2上层叠设置有可产生平面径向振动模态的压电元件3，以压电元件3为激励源，可以激发穿孔匹配板2产生弯曲振动并辐射超声波。
进一步限定，所述穿孔匹配板2上开设有圆孔，且其穿孔匹配板2的厚度不大于穿孔匹配板2直径的1/10，开孔率为5％～70％。
进一步限定，所述压电元件3为厚度极化的压电圆盘或为厚度极化的压电圆环或者为径向极化的压电圆环。
进一步限定，所述压电圆盘或者压电圆环同心设置在穿孔匹配板2的中心位置且压电圆盘在穿孔匹配板2的振动入射端。
进一步限定，所述压电圆盘或压电圆环的直径小于穿孔匹配板2的直径，且满足以下条件：
对于基频振动，压电圆盘或压电圆环的直径小于穿孔匹配板2直径的二分之一；
对于二次谐频振动，压电圆盘或压电圆环的直径小于穿孔匹配板2直径的三分之一。
进一步限定，所述压电圆盘或压电圆环采用发射型压电陶瓷材料或者收发两用型压电陶瓷材料制成；所述穿孔匹配板2为钛合金、铝合金、不锈钢或铜材料制成的穿孔匹配板2。
本发明还提供了一种用上述的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器实现气介超声换能的方法，具体是：当一定频率和幅度的交流电信号激励压电元件3时，压电元件3产生径向伸缩振动，并带动穿孔匹配板2产生弯曲振动，利用穿孔匹配板2改变了振动模态并向空气介质中辐射超声波，实现声阻抗匹配和声波辐射。
进一步说明，所述穿孔匹配板2上开设有圆孔，且其穿孔匹配板2的厚度不大于穿孔匹配板2直径的1/10。
进一步说明，所述穿孔匹配板2的穿孔率与权利要求1所述的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器的共振频率和反共振频率成逆向相关。
本发明的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器采用穿孔板声子晶体结构作为换能器的声阻抗匹配板以及声波辐射板，与现有技术相比，主要具有以下有益效果：
(1)本发明提出的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器通过在厚度极化的压电圆盘或圆环，或者径向极化的压电圆环的辐射端设置不同形状和不同尺寸孔洞的穿孔匹配板，压电元件是工作于平面径向振动模态，带动弯曲振动穿孔匹配板工作于弯曲振动模态，不但改善了传统的气介超声换能器的声匹配问题，而且可以增大带宽，改善换能器的声波辐射，提高换能器的分辨率和作用范围。
(2)本发明提出的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器可以在不增大换能器几何尺寸的情况下，通过改变穿孔匹配板的穿孔率，改变换能器的共振频率和反共振频率以及有效机电耦合系数、机械振动位移等振动性能。
(3)本发明采用穿孔匹配板作为换能器的声阻抗匹配板以及声波辐射板，不但改善了传统的气介超声换能器的声匹配问题，而且可以增大带宽，改善换能器的声波辐射，提高换能器的分辨率和作用范围。
附图说明
图1为本发明的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器的结构示意图。
图2为穿孔穿孔匹配板2的结构示意图。
图3为具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器的共振频率和反共振频率与穿孔匹配板2的穿孔率之间的关系图。
图4为具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器的有效机电耦合系数与穿孔匹配板2的穿孔率之间的关系图。
图5为具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器的机械振动位移与穿孔匹配板2穿孔率之间的关系图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。
实施例1
参见图1，本实施例的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器是由壳体1、穿孔匹配板2、压电陶瓷圆盘组成，其中壳体1是圆环状结构，可以用钛合金、铝合金、不锈钢或铜材料等导电金属制成。在壳体1的辐射端面上设置有一个穿孔匹配板2，参见图2，穿孔匹配板2是与壳体1截面匹配的圆板结构，可以采用钛合金、铝合金、不锈钢或铜材料等弹性大、强度高、机械损耗低的金属材料制成，其直径为20mm，厚度为1mm，为了满足本发明的振动要求，穿孔匹配板2的厚度不大于穿孔匹配板2直径的1/10。在该穿孔匹配板2上开设有直径为1.97mm的圆孔，开孔率为70％，该穿孔匹配板2的穿孔率与整体换能器的共振频率和反共振频率成逆向相关，即随着穿孔匹配板2穿孔率的增大，换能器的共振频率和反共振频率减小。在穿孔匹配板2的振动入射端中部通过强力胶粘结有一个直径为10mm且厚度极化的压电陶瓷圆盘作为压电元件3，即压电陶瓷圆盘与穿孔匹配板2层叠设置。该压电陶瓷圆盘采用发射型压电陶瓷材料制成。
进一步说明，为了保证穿孔匹配板2的声阻抗匹配以及振动模态转换，该压电陶瓷圆盘的直径小于穿孔匹配板2的直径，且满足以下条件：对于基频振动，压电陶瓷圆盘的直径小于穿孔匹配板2直径的二分之一；对于二次谐频振动，压电陶瓷圆盘的直径小于穿孔匹配板2直径的三分之一。
利用上述的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器实现气介质超声换能的方法，具体是：按照换能需要，当一定频率和幅度的交流电信号激励压电陶瓷圆盘时，压电陶瓷圆盘产生径向伸缩振动，与压电陶瓷圆盘粘结呈一体结构的穿孔匹配板2会随之而产生弯曲振动，利用穿孔匹配板2改变了振动模态并向空气介质中辐射超声波，实现声阻抗匹配和声波辐射。
实施例2
与实施例区别之处在于：本实施例的压电元件3是采用径向极化的压电圆环，压电圆环的外径为10mm，内径为6mm，环厚度为2mm，满足压电圆环的直径小于穿孔匹配板2的直径，且满足以下条件：对于基频振动，压电圆环的直径小于穿孔匹配板2直径的二分之一。本实施例的穿孔匹配板2采用铝合金制成，其直径为20mm，厚度为1.2mm，在该穿孔匹配板2上开设有直径为1.66mm的圆孔，开孔率为50％。
其他的部件及其构造以及实现气介质超声换能的方法与实施例1相同。
实施例3
与实施例区别之处在于：本实施例的压电元件3是采用厚度极化的压电圆环，压电圆环的外径为10mm，内径为4mm，环厚度为1mm，满足压电圆环的直径小于穿孔匹配板2的直径，且满足以下条件：对于二次谐频振动，压电圆环的直径小于穿孔匹配板2直径的三分之一。本实施例的穿孔匹配板2采用铝合金制成，其直径为20mm，厚度为1.5，在该穿孔匹配板2上开设有直径为0.5mm的圆孔，开孔率为5％。
其他的部件及其构造以及实现气介超声换能的方法与实施例1相同。
本发明的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器可以在不增大换能器几何尺寸的情况下，通过改变穿孔匹配板2的穿孔率，改变换能器的共振频率和反共振频率，具体换能器的共振频率和反共振频率与穿孔匹配板2的穿孔率之间的依赖关系如下图3所示。
由图3可知，随着穿孔匹配板2穿孔率的增大，换能器的共振频率和反共振频率减小。
进一步验证，本发明的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器的有效机电耦合系数与穿孔匹配板2穿孔率之间的依赖关系，如图4所示。
由图4可知，随着穿孔率的增大，换能器的有效机电耦合系数降低。
进一步验证，本发明的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器的机械振动位移与穿孔匹配板2穿孔率之间的依赖关系，如图5所示。
由图5可以看出，随着穿孔匹配板2穿孔率的增大，换能器的机械振动位移处于先减小后增大的趋势，存在一个最小值，但总体趋势是增大的。因此，通过改变穿孔匹配板2的穿孔率，可以改变换能器的振动位移，进而可以对换能器的辐射声场进行改变和操控。
因此，本发明提出的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，采用了穿孔匹配板2，不仅可以改善和调节换能器的声匹配程度，还可以实现换能器声波辐射效果的调节和优化，进而可以提高传统的空气超声波换能器的检测分辨率、辐射功率以及声场的指向性，可广泛应用于超声波测距、超声波空气传感器、超声波防盗监控、气体流量测试等众多空气超声波应用技术中。
Claims (9)
1.一种具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，包括壳体(1)，其特征在于：在壳体(1)的辐射端面上设置有能够改变振动模态和声匹配的穿孔匹配板(2)，在穿孔匹配板(2)上层叠设置有可产生平面径向振动模态的压电元件(3)，以压电元件(3)为激励源，可以激发穿孔匹配板(2)产生弯曲振动并辐射超声波。
2.如权利要求2所述的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，其特征在于所述穿孔匹配板(2)上开设有圆孔，且其穿孔匹配板(2)的厚度不大于穿孔匹配板(2)直径的1/10，开孔率为5％～70％。
3.如权利要求2所述的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，其特征在于所述压电元件(3)为厚度极化的压电圆盘或为厚度极化的压电圆环或者为径向极化的压电圆环。
4.如权利要求3所述的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，其特征在于所述压电圆盘或者压电圆环同心设置在穿孔匹配板(2)的中心位置且压电圆盘在穿孔匹配板(2)的振动入射端。
5.如权利要求3所述的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，其特征在于所述压电圆盘或压电圆环的直径小于穿孔匹配板(2)的直径，且满足以下条件：
对于基频振动，压电圆盘或压电圆环的直径小于穿孔匹配板(2)直径的二分之一；
对于二次谐频振动，压电圆盘或压电圆环的直径小于穿孔匹配板(2)直径的三分之一。
6.如权利要求3～5任一项所述的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，其特征在于所述压电圆盘或压电圆环采用发射型压电陶瓷材料或者收发两用型压电陶瓷材料制成；所述穿孔匹配板(2)为钛合金、铝合金、不锈钢或铜材料制成的穿孔匹配板(2)。
7.如权利要求1所述的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器实现气介超声换能的方法，具体是：当一定频率和幅度的交流电信号激励压电元件(3)时，压电元件(3)产生径向伸缩振动，并带动穿孔匹配板(2)产生弯曲振动，利用穿孔匹配板(2)改变了振动模态并向空气介质中辐射超声波，实现声阻抗匹配和声波辐射。
8.如权利要求7所述的气介超声换能的方法，其特征在于：所述穿孔匹配板(2)上开设有圆孔，且其穿孔匹配板(2)的厚度不大于穿孔匹配板(2)直径的1/10。
9.如权利要求7所述的气介超声换能的方法，其特征在于：所述穿孔匹配板(2)的穿孔率与权利要求1所述的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器的共振频率和反共振频率成逆向相关。
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