CN108701450B - 紧凑的广角声换能器 - Google Patents

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Abstract

用于发射和接收声波的换能器，该换能器的操作方法和生产方法。该换能器包括形成腔的壳。该壳包括激发面和发射面，该发射面被布置在该激发面的对面。换能器元件被提供在该激发面处，并且声扩散器被提供在该壳的发射面处，其中该声扩散器的扩散结构面对该腔。

Description

紧凑的广角声换能器
技术领域
本说明书涉及声换能器(acoustic transducer)，该声换能器通过使用扩散的内部反射用于生成广角的扩展压力分布。
背景技术
US 4,156,863公开了一种广角的宽带宽的换能器，其通过提供多个换能器元件的矩阵将声信号发射到一个宽的区域，所述多个换能器元件的矩阵沿弯曲表面径向向外指向。相比之下，根据本说明书所述的广角换能器使用一个或多个提供在壳的腔内的声扩散器。
US 4,153,894 A公开了随机相位扩散器(random phase diffuser)，其包括具有换能器的主楔形物和具有随机相位图案(random phase pattern)的副楔形物，该随机相位图案背对该换能器并且朝向负载材料(load material)。
US 2012/123274 A1公开了具有用于发射和接收超声波的压电换能器的超声换能器，其被布置在声透镜和背层之间。该背层包括多个反射器并且用于减弱发射到后方的超声波。
WO 2016/016818 A1公开了用于测量管道中流速的两个声换能器的布置，其与各自的估算单元连接。
WO 2012/051650 A1公开了声扩散发生器，其中具有一系列孔的无源反射器被布置在扬声器阵列的对面。
CA 2753792 A1公开了具有峰值和谷值的序列的分形声扩散器(fractalacoustic diffusor)，其遵循根据二次余数序列布置的零中心分形(null centeredfractal)。
发明内容
本说明书公开了用于发射和接收声波的换能器。该换能器也称为“广角换能器(wide angle transducer)”。特别地，由该换能器发射和接收的声波可以是被传送通过流体的超声波，该流体穿过封闭的或敞开的流体管道。
该换能器包括壳，该壳围成腔。换句话说，该壳形成或界定了腔。该壳的腔包括填充料，例如液体或凝胶、环氧树脂材料(epoxy material)或其他塑料。该填充料提供来自和到达该壳的这些面的耦合(a coupling from and to the surfaces of the casing)。特别地，该填料可以基本上完全填满该空腔的内部空间。该空腔的内部空间是由该腔和突出进入该腔的任何元件界定。简言之，该腔的内部空间也称为腔，其中该意思从上下文显而易见，或称为“声腔”。
如果该填料或传送介质是由液体或凝胶提供的，该壳可被制成不透水或不透液体以保证没有空气会被滞留或凝胶会渗漏。该广角换能器的壳包括激发面(excitationsurface)和布置在该激发面对面的发射面(emitting surface)。特别地，该激发面和该发射面可被提供为平行于彼此，并且位于该壳的相反端。
但是，该发射面也可以相对该激发面倾斜。此外，该激发面和该发射面可提供为平的面。在其他实施方案中，该发射面或该激发面可以是弯曲的，例如，与圆管道的形状一致。
特别地，该激发面或该发射面的外部部分可被提供为平的面或为弯曲的面。该壳的内部空间(其中提供有一个或多个扩散器)可具有容易制造的特别简单的形状，比如长方体或圆柱体，特别是圆筒。长方体特别适合将具有矩形底面的扩散器安装到该壳内。在一个实施方案中，该壳具有长方体形状，并且该发射面和该激发面被提供为该长方体的相对面。
举例来说，该壳可由塑料制成或它也可由金属材料制成。该换能器包括至少一个超声换能器元件，其被结合到该壳的激发面或被提供在壳的激发面处。例如，该换能器元件可被插入穿过该激发面和/或它可被焊接、锡焊或粘到该激发面上。举例来说，该换能器元件(transducer element)或该这些换能器元件(transducer elements)可以通过压合或通过形状配合(form fit)与该激发面连接。该换能器元件或该这些换能器元件从该壳的外部可访问并且可与电缆连接用于向该换能器元件或该这些换能器元件提供激发信号或用于传送接收的信号。
声扩散器被提供在该壳的反射面处。该声扩散器的扩散结构面对该腔。换句话说，该扩散结构突出进入该腔界定的内部空间。
为了更好地扩散该腔内的声波，可提供第二扩散器。特别地，该第二扩散器可被提供在该第一扩散器的对面并且使得该第二声扩散器的扩散结构面对该第一声扩散器的扩散结构。该这些扩散结构彼此面对或朝向彼此指向，从这个角度来说该这些扩散器结构之间存在视线。
特别地，该这些扩散结构可彼此相关布置使得由该这些扩散结构界定的各自平均方向在预定角度内(比如10度、20度或45度)指向相反的方向。例如，可布置两个柱式扩散结构(two column type diffusing structures)使得该第一扩散结构的这些柱在预定角度内(比如10度、20度或45度)朝向该第二扩散结构的这些柱指向。具体地，可布置该这些声扩散器使得该这些声扩散器的各自底面平行对齐。
可选择各自的对齐线(respective alignments)和该这些扩散结构彼此之间的距离使得该这些扩散器中的一个发射的声的大部分被另一个扩散器接收。从而，提供该这些扩散器之间的有效耦合。例如，两个柱式扩散结构之间的距离可以是使得该这些扩散结构之间的最小距离不大于该这些柱之间的最大高度差异的10％、20％或50％。
该扩散器的底面可以基本上完全覆盖该发射面或该激发面。同样地，各自扩散结构可以基本上完全覆盖该发射面或该激发面。具体地，“基本上完全”可以指该发射面或该激发面的90％或更多，95％或99％或更多。
特别地，该扩散结构可以通过突出物实现，或通过各自声扩散器的底面上的上部结构实现，比如与该底面垂直或与该底面呈一个角度对齐的壁或柱。
该第二声扩散器被提供在或附接到该激发面上使得该第二声扩散器的扩散结构面向该腔。该第二扩散器可以是与该第一扩散器相同的类型或者它可以是不同的类型。举例来说，该这些扩散器可以通过焊接、粘合、螺丝钉连接(screws)、锚钉连接(bolts)、形状配合或压合附接到各自面或壳上。
举例来说，该激发面或该发射面可由该壳的一部分或由壳的一部分和附接到该壳上的进一步的元件提供。此外，该这些各个声扩散器可被提供在各自激发面的内部分(internal portion)或在该壳的内部分。
该壳可以包括用于交换液体或凝胶和用于排气目的的开口。此外，该壳可以包括用于插入或交换该声扩散器目的的在一边的盖子。在一个实施方案中，该盖子被粘到或焊接到该壳上。根据另一个实施方案，该盖子通过螺丝钉固定。在后一种情况中，可以提供密封件或垫圈，比如密封圈或类似物。
特别地，该声扩散器的扩散结构(the diffusing structure of the acousticdiffuser)或该这些声扩散器的这些扩散结构(the diffusing structures of theacoustic diffusers)可以包括柱式扩散结构。更具体地，该扩散结构或该这些扩散结构可由柱式扩散结构组成或由柱式扩散结构提供。该柱式扩散器结构又名地形结构(terrainstructure)，其中该柱式扩散器的这些柱具有统计学分布的高度。在这种情况中，该扩散器也被称为柱式扩散器。
该统计学分布的高度可由预定的算法定义，并且给定高度的概率可以取决于在该底面上的位置，其可用直角坐标x和y说明。或者，该给定高度的概率也可以取决于离该扩散结构或该声扩散器的底面上的位置的距离。
一般而言，底尺寸，该这些柱的高度和其他尺寸规格取决于超声波波长。根据一个实施方式，柱式声扩散器的这些柱的底尺寸在0.5平方毫米和1.6平方毫米之间。特别地，柱横截面可以是矩形或正方形，并且该横截面的尺寸可以是0.75mm x 0.75mm和1.25mm x1.25mm之间。另外，该柱横截面从该这些柱柱的底到顶可以是相同的，由此，该底尺寸与该横截面尺寸是相同的。
根据进一步的实施方式，柱式声扩散器的这些柱的底尺寸在3平方毫米和5平方毫米之间。特别地，柱横截面可以是矩形或正方形，并且该横截面的尺寸可以在1.75mm x1.75mm和2.25mm x 2.25mm之间。
该这些柱的高度范围取决于应用的超声波波长。在一个具体例子中，该声扩散器的最小和最大柱之间的高度范围可以在1mm和10mm之间选择。为了好的扩散效果，该第二扩散器的高度结构可选择为不同于该第一扩散器的高度结构，例如，一个扩散器的这些柱高度可以统计学独立于各自其他扩散器的这些柱高度。
根据一个进一步的实施方式，该声扩散器的扩散结构(the diffusing structureof the acoustic diffuser)或该这些声扩散器的这些扩散结构(the diffusingstructures of the acoustic diffusers)包括室式扩散结构(chamber type diffusingstructure)，比如二次余数(quadratic residue)或Schroeder扩散器或三次余数扩散器(cubic residue diffuser)。
在两个声扩散器的情况中，“该扩散器(diffuser)或该这些扩散器(diffusers)”可指该这些扩散器中的一个或它们中的两个。在多于两个声扩散器的情况中，它可指它们中的一个，它们中的一些，或该这些扩散器的全部。上述情况也适用于表达“该扩散结构(the diffusing structure)或该这些扩散结构(the diffusing structures)”。此外，生产该扩散器的材料和方法也可以仅仅指生产该扩散结构的材料和方法。
根据一个实施方式，该声扩散器(acoustic diffuser)或该这些声扩散器(acoustic diffusers)由金属材料制成。金属材料可以是耐用的并且提供好的声耦合。
根据一个进一步的实施方式，该声扩散器或该这些声扩散器由塑料制成。特别地，该扩散器(the diffuser)或该这些扩散器(the diffusers)在成型工艺中可由塑料制成。
根据一个进一步的实施方式，该声扩散器或该这些声扩散器通过3D打印工艺制成。3D打印工艺尤其适合与柱式扩散器连接。3D打印工艺可以是使用另一个类型的材料的3D打印工艺的3D金属打印工艺。材料的选择取决于应用目的和流体(比如气体、油、水等)的声阻抗。
特别地，该腔(其中提供有该扩散器或该这些扩散器)可以是矩形的腔或立方形的腔。这样，例如，该腔可由矩形或立方形的壳的内部空间提供。
此外，该换能器可包括与该发射面接触的换能器元件，其被提供用于拾取来自该发射面的信号。例如，这个换能器元件可由与该发射面接触的针形换能器(needletransducer)提供，或由提供在该发射面上或在该发射面处的板形换能器(platetransducer)提供。
在一个实施方式中，该换能器包括针形换能器，其延伸穿过该腔并且直到该发射面。特别地，该针形换能器可延伸穿过该激发面、该腔、该扩散器或该扩散器并且直到该发射面。为此，可在该激发面和该这些扩散器中提供合适的开口。
该针形换能器与该发射面的接触导致在该发射面接收的声波的很好耦合。在这个实施方式中，该接收的声波不需要穿过该介质到达该激发面以便被检测到。从而，存在较少的该信号的衰减和延迟。
特别地，该针形换能器可被用于拾取来自流体或其他类型的介质的由该广角换能器探测的声信号的目的。该针形换能器也可用于生成声信号，虽然优选该声信号在该激发面生成使得它被该发射面反射，在该激发面和该发射面之间来回地行进并且被该扩散器或被该这些扩散器扩散。为这个目的，可在该激发面处提供第二换能器元件。
作为一种选择或除该针形换能器之外，板形换能器可被提供在反射面处，用于拾取该声信号。在这个情况中，合适的导电条、区域或电缆可被提供在该壳上或在该壳处，其允许将该板形换能器与信号处理单元连接。
特别地，该转换元件(transducing element)或该这些转换元件(transducingelements)可包括压电元件。特别地，该这些换能器元件的一些或全部可由压电元件提供。该这些压电元件可提供有效的电压到声耦合(effective voltage-to-sound coupling)。此外，这些压电元件可很容易从市场上得到，至少当它们以某些标准的形状(比如，板或柱形)被提供时。
根据一个进一步的实施方式，该换能器不只包括一个换能器元件，而是三个。因此，换能器包括第一换能器元件、第二换能器元件和第三换能器元件。该第一换能器元件被提供用于拾取声信号，而该第二换能器元件和该第三换能器元件被提供用于生成声信号。为此，该第二换能器元件和该第三换能器元件被提供在激发面处，而该第一换能器元件与该发射面接触。
在一个实施方案中，该第一换能器元件被布置在该发射面的中心位置。如果该第一换能器元件延伸到该激发面，它此外可被提供在该激发面的中心位置。该第二换能器元件和第三换能器元件可被提供为平的换能器，例如为硬币形的换能器，其被布置在该激发面的外表面或外部分。
更具体地，该第一换能器元件可由针形换能器提供，其延伸穿过该腔并且直到该发射面。如上面提到的，该针形换能器也可延伸穿过该激发面和该这些扩散器。作为一种选择，该第一换能器元件可被提供为位于发射面的板形换能器。
根据一个实施方式，该第二换能器元件和该第三换能器元件以该第一换能器元件为中心被对称地布置。这个布置可提供良好的条件(well-defined conditions)并且可很好地利用该激发面上的可用空间。特别地，它们可被对称提供在该激发面的平面中。
此外，该第一换能器元件、该第二换能器元件和该第三换能器元件可沿该激发面的对角线布置。如果该这些换能器元件被提供有标准横截面，比如圆形或矩形横截面，当该这些换能器沿该激发面的最长延长排列时该这些换能器元件的横截面可以变得很大。
根据一个进一步的实施方式，该换能器包括两个换能器元件，一个如上面描述的针形换能器和一个平的换能器，该平的换能器被提供在该激发面的外表面上。
在进一步的层面中，本说明书公开了一种测量系统，其包括具有波形发生器的估算单元和上述的广角换能器。该估算单元用于发送来自该广角换能器的测量信号，接收来自第二换能器的响应信号，和从该响应信号导出测量结果。更具体地，该估算单元和该波形发生器生成合适形状的电信号，该电信号通过电缆被传送到该广角换能器的换能器元件并且从那里被传送到该激发面。
特别地，其他换能器的响应信号可被机械结合到该发射面的换能器元件拾取，比如上述的针形换能器。该换能器元件将该响应信号转换成电信号，该电信号通过电缆被传送到该估算单元。该估算单元计值该电信号以便得到该测量结果。
根据进一步类型的测量，该估算单元还接收和计值来自其他换能器的第二响应信号。这个第二响应信号相当于从该广角换能器发送到其他换能器的声信号，与相当于该第一响应信号的声信号的方向相反。
在进一步的层面中，本说明书公开了一种计算机实施的方法(computer-implemented method)，该方法借助上述的广角换能器用于得到关于管道中的液体或流体的测量结果，其中该管道可以是敞开的管道或封闭的管道。
待测的液体或流体相对于该换能器移动。测量信号被施加到该换能器的一个或多个换能器元件。特别地，对于上述的三个换能器布置，该测量信号被施加到该第二换能器和第三换能器。
通过该换能器元件、该激发面和该声扩散器之间的各自机械结合或接触，该测量信号被传送到位于该换能器的激发面处的声扩散器。在一个在该激发面处没有扩散器的实施方式中，该测量信号被传送到该激发面并进入该腔的传送介质中，该介质是液体或凝胶。
该测量信号被传送进入该传送介质并且到达该第二声扩散器，该第二声扩散器附接在该换能器的发射面上。从而，该声波在该第一扩散器和该第二扩散器之间被来回地反射，并且该声波的一部分在该发射面被发射进入待测量的液体或流体。
响应信号在第二换能器处被接收。该第二换能器可相对于该广角扩散器和该管道的纵向方向偏移定位。特别地，该第二换能器可由广角换能器提供。关于流体的测量结果是借助计算单元从该第一响应信号导出的。
在测量布置中，该第二换能器安装在该管道上，位于第一位置，并且该第二换能器安装到该管道上，相对有关该管道的纵向方向的该第一位置偏移。
在进一步类型的测量中，该方法包括将第二测量信号发送到上述广角换能器的进一步步骤，该第二测量信号可以具有与来自第二换能器的第一测量信号相同的信号形状。
该第二测量信号的第二响应信号被该广角换能器的换能器元件接收，并且该估算单元从该第一响应信号和该第二响应信号导出有关该流体的测量结果。
在更进一步的层面中，本申请公开了生产换能器的方法。提供壳，该壳由塑料或金属材料制成。第一扩散器通过3D金属打印工艺生产。该第一扩散器被提供在该壳的发射面处。
此外，第二扩散器可通过3D打印工艺生产并且被提供在该壳的激发面处，该激发面在该发射面的对面。特别地，该第一扩散器和/或该第二扩散器可通过粘合、焊接、锡焊、螺丝钉固定、铆接或通过与该壳制造成一块被提供在各自面上。
换能器元件被提供在该壳的激发面处。例如，该换能器元件(transducerelement)或该这些换能器元件(transducer elements)可通过粘合、焊接、锡焊和/或机械固定(比如压配合或形状配合)被提供。此外，第二换能器可被提供为与该发射面接触或被提供在发射面处，用于拾取声信号。
此外，本申请说明书公开了至少两个广角换能器的传感器布置用于执行流速测量。具体地，本说明书公开了至少两个广角换能器的传感器布置用于利用时间反转信号(atime reversed signal)执行流速测量。
更具体地，公开的换能器布置包括根据一个实施方式的第一广角换能器和根据一个实施方式的第二广角换能器，信号生成单元和信号处理单元。该信号生成单元和该信号处理单元是用电子元器件(比如电路和集成电路)实现的。
该信号生成单元与该第一换能器和该信号处理单元连接，并且该信号处理单元与该第二换能器连接。
该第一换能器、该第二换能器、该信号生成单元和该信号处理单元经配置用以将预定的第一信号施加到该第一换能器(比如时间聚焦脉冲信号(time focussed impulsesignal))，在该第二换能器处接收该预定的第一信号的响应信号，从该响应信号导出测量信号，该测量信号的导出包括选择该响应信号或由此导出的信号的信号部分(signalportion)，以及相对时间反转该信号部分，将该测量信号存储供以后用于电子存储元器件，将该测量信号施加到该第一换能器，在该第二换能器处接收该测量信号的响应信号，以及从接收的该测量信号的响应信号导出流速。
在一个进一步的实施方案中，该实施方案利用双向流速测量，该双向流速测量可用于消除温度依赖，该信号生成单元此外与该第二换能器连接，并且该信号处理单元此外与该第一换能器连接。
该第一换能器、该第二换能器、该信号生成单元和该信号处理单元经配置用于将该测量信号施加到该第二换能器，在该第一换能器处接收该测量信号的第二响应信号，从在该第二换能器处接收的该测量信号的响应信号和在该第一换能器处接收的该测量信号的响应信号导出流速。
附图说明
现在参考下面的图更加详细地解释本申请的主题，其中，
图1显示了具有两个板形发送器元件(transmitter elements)和柱形接收器元件的广角声换能器的第一个实施方式的侧视图。
图2显示了用于声换能器的声扩散器的透视图。
图3显示了具有单个换能器元件和两个扩散器的更广角的声换能器的透视图。
图4显示了具有三个换能器元件和两个扩散器的更广角的换能器的透视图。
图5显示了具有一个板形换能器元件，针形换能器和两个扩散器的更广角的声换能器的透视图。
图6显示了用于声换能器的压力分布测量的实验装置。
图7显示了具有矩形腔的声换能器的压力分布。
图8显示了具有腔的声换能器的参考压力分布(reference pressuredistribution)，该腔具有扩散器，扩散器具有小的柱尺寸。
图9显示了具有腔的声换能器的压力分布，该腔具有扩散器，该扩散器具有较大的柱尺寸。
图10显示了具有矩形腔的声换能器的参考压力分布。
图11显示了具有两个彼此面对面的扩散器的声换能器的压力分布。
图12显示了用于图1到11的实施方式的夹合式换能器(clamp-on transducers)的布置。
图13显示了在V字型测量中用于图1到11的实施方式的夹合式换能器的进一步的布置。
图14显示了在W字型测量中图13的布置。
图15显示了用于图1到11的实施方式的夹合式换能器的进一步的布置。
图16显示了在图12的布置中接收的信号。
图17显示了用于图1到11的实施方式的湿的换能器的布置。
具体实施方式
在下面的描述中，提供了详细说明用以描述本发明的实施方式。但是，很显然，对本领域技术技术人员来说即使没有这样的详细说明，这些实施方式也是可以实施的。
图1显示了根据第一实施方式的广角换能器10的横截面图。该广角换能器10包括壳11，该壳围绕腔12。第一板形状的换能器元件13和第二板形状的换能器元件14被提供在该壳11的激发面15上。该这些换能器元件具有用于将该这些换能器元件与电源连接的连接件，其没有显示在图1、3、4和5中。
特别地，这个实施方式和下面的实施方式的这些换能器元件可由压电陶瓷提供。根据一个具体实施方式，其用于获得压力曲线，用一薄层环氧基树脂将一个或多个直径为2cm的1MHz压电圆片粘到该声扩散器的平背上。硅胶被施加到该压电圆片的另一侧用于电绝缘。
声扩散器16被提供在该壳11的发射器面(emitter surface)17的内侧，其在该激发面15的对面。该扩散器16经形状设置使得它提供换能器元件13和14发射的声波的扩散反射。另外，该扩散器16经形状设置使得该腔12的声模(否则其会导致该腔12内的驻波)被压制。在图1的例子中，该扩散器16是室式扩散器，比如Schroeder扩散器。
除了别的之外，这样的扩散器的例子包括，具有统计学分布高度的Schroeder扩散器或二次余数扩散器(quadratic residue diffuser)(QRD)、三次余数扩散器(CRD)，本原根扩散器(primary root diffuser)(PRD)和柱式扩散器。在一个实施方案中，其特别适合3D打印，该扩散器是具有矩形柱的柱式扩散器，该这些柱具有统计学分布高度。
在图1的例子中，该腔11具有矩形块形状，它是以壳11的侧壁15、17、18为边界的。该壳11的侧壁15、17、18包括该激发面15、该发射器面17、第一侧面(first lateralsurface)18、第二侧面(second lateral surface)19和第三和第四侧面(third andfourth lateral surfaces)(它们没有显示在图1中)。
该广角换能器10的针形换能器20与该发射面17结合并且延伸穿过该腔17和该激发面17，并且从该激发15面朝向该壳11的外部突出。在图1的例子中，该针形换能器20被提供在该发射面17的中心位置，并且该针形换能器20延伸穿过该发射面17。
在其他实施方案中，该针形换能器20可以别的方式与该发射面17结合。例如，该针形换能器可以被焊接或粘到该发射面17的内表面上。作为一种选择，该发射面17可以包括具有合适形状的接收部分用于接受该针形换能器20。
该腔12用无定形声传送介质21(比如液体或凝胶或环氧基树脂或其他相关材料)填充。优选地，声在该传送介质中的速度大于声在空气中的速度并且小于声在该壳11中的速度。另外，该声传送介质的声衰减和压缩性实质上小于空气的声衰减和压缩性。
在许多材料中，声衰减取决于动态粘滞度，该材料的体粘性和声频，然而，声的速度取决于该材料的压缩性。但是，声传送材料的声衰减，比如声传送介质21还可以以该材料的压缩性为特征。为了避免该广角换能器内部空间的腐蚀，该传送介质可由无腐蚀性的液体(比如油)提供。
图2显示了声扩散器16'的进一步的实施方式，该声扩散器由柱25的阵列提供，其相对于底部26具有统计学分布高度。每个墩(pillar)或柱25具有正方形横截面并且与具有矩形形状的底部平台26连接。该柱的阵列又名“曼哈顿(Manhattan)”、“地形(terrain)”或“轮廓线(skyline)”结构。举例来说，该统计学高度分布可以由随机序列发生器生成。随机数的范围限制在最小和最大高度之间，其足以提供扩散反射。
图2的声扩散器16'是构筑有多个不同高度的墩的3d打印的声扩散器。该声扩散器包括具有随机高度的密堆积的金属墩。每个墩具有正方形横截面，并且与矩形形状的平台连接。
决定高度分布的随机序列可以是由算法生成的伪随机序列或它可以是由计算机硬件随机数发生器生成的真随机序列，该计算机硬件随机数发生器利用量子力学测量，比如散粒噪声或其他物理随机过程，比如热噪声。例如，该这些随机高度可以根据均一分布(uniform distribution)、高斯分布(Gaussian distribution)、泊松分布(Poissondistribution)或其他形式的统计学分布进行选择。
在声扩散器的地形设计中，较高和较低频率极限分别由该这些正方形柱的宽度和高度限定。该这些柱的高度限定较低频率边界，而该较高频率边界由该柱的宽度界定。在具体的例子中，该这些柱或墩的高度范围可在l mm和l0mm之间选择。该底面或“脚垫”的尺寸规格可以选择为3.8cm x 3.8cm，并且该柱宽度可以选择为1mm或2mm。从而，该扩散器具有38x 38＝1444个柱或，分别地，为19x 19＝361个柱的阵列。
该声扩散器16、16'优选由金属材料制成，其提供了与该发射面的很好结合。特别地，该声扩散器16、16'可通过3D金属打印制成。除了别的之外，3D金属打印合适的方法包括，金属烧结或熔化，特别是选择性激光烧结(SHS)、直接金属激光烧结(DMLS)、选择性激光熔化(selective laser melting)(SLM)、电子光束熔化(electron beam melting)(EBM)、粉末层(powder bed)和喷头3D打印(inkjet head 3D printing)(3DP)、熔融沉积制造(Fused deposition modelling)(FDM)或熔丝加工(Fused Filament Fabrication)(FFF)、自动注浆成型(Robocasting)或直写成型(Direct Ink Writing)(DIW)和电子束自由成形制造(electron beam freeform fabrication)(EBF3)。
当前的3D打印技术能够打印尺寸小到几十微米的结构，适合高频时间反转声学应用(high frequency time reveral acoustics applications)。它适合制造复杂的表面结构。对于众多产品来说，可使用模具，并且该结构可被热压或模塑。用于该这些实验的广角扩散器可以如下生产。
首先，该声扩散器的体模型(volumetric model)是利用计算几何编程语言(比如OpenSCAD)生成的。举例来说，该这些压力测量的广角换能器具有3.8cm x 3.8cm的支撑面，该支撑面装饰有正方形横截面的垂直墩，其是1mm乘以1mm和2mm乘以2mm宽。该这些柱的高度是随机生成的。对与该压力测量的扩散器来说，使用了具有1mm和10mm之间数值范围的均一分布。对于打印，该几何结构可以以标准的文件格式(比如STL)输出，并且被转变成可打印的文件，其适合用3D金属打印机打印。
举例来说，用于生成在该这些压力测量中使用的扩散器的3D金属打印机利用具有40微米焦点直径的100W红外线纤维激光器用以烧结50微米的奥氏体不锈钢粉末。
图3显示了广角换能器10'的另一个实施方式。该广角换能器10'包括两个面对面的声扩散器16'、36。该这些声扩散器16'、36是柱式扩散器，如前面的图2中所示。为了清楚起见，图3和4仅仅显示了该第二扩散器36的一部分。该第二扩散器36可在图5的实施方式中的横截面图中看得最清楚。为简洁起见，该这些实施方式共有的特征的一些说明在图3、4和5的描述中不再重复。
该第一声扩散器16'被提供在该广角换能器10'的发射面17处。该第二声扩散器36被提供在该发射面17对面的激发面36上。与图1的实施方式不同，该广角换能器10'仅仅包括用于发射和接受声波的单个板形换能器20'。
在传送模式中，该板形换能器20'被提供有电信号并且将该电信号转变成声信号，其被传送到该激发面15和该第二扩散器36。从那里，该信号被传送进入该介质21和该第一扩散器16'。该信号的一部分在该发射面17被反射并且另一部分被反射回该介质21。
该反射的声信号在该第一扩散器16'和该第二扩散器36之间被来回地反射直到它消散。每当该第一扩散器16接受到声信号时，它在该发射面17发射它的一部分。该发射面17直接与流体接触或与它结合并且将该声波发射进入该介质。在本发明的上下文中，流体可以是像油、水、它们的混合物的液体，或也可以是像油、石油气或它们的混合物的气体。一般而言，形成漏腔，其由一个或几个换能器元件(比如压电陶瓷)驱动，该一个或几个换能器元件附接在该两个扩散器16、36中的一个的平背上。
在接收模式中，该板形换能器20'接收声信号，该声信号从该发射面17传送到该扩散器16并且进入该介质21。此外，该板形换能器20'接收在该扩散器16、该壳11的壁和该第二扩散器20之间来回地反射的信号部分。
图4显示了广角换能器10″的进一步的实施方式，其中，三个板形换能器13、14、20'沿该激发面15的对角线被提供成一行。用作传送器的该这些换能器20'中的一个被提供在该激发面15的中心。其他两个转换器13、14被提供在换能器20'的任意一侧。
图5显示了广角换能器10的横截面图，其与图1的换能器10的类似之处在于布置在中心的换能器元件20被提供为针形换能器元件20。在图5中，该针形换能器元件20、该扩散器16和该壳11被显示在横截面中。
类似于图3和4的实施方式并且不同于图1的实施方式，两个柱式扩散器16、36被提供在腔的相对侧。类似于图1和4的实施方式并且不同于图3的实施方式，存在三个换能器元件13、14、20，它们沿激发面15的对角线被布置。该第一换能器元件没有显示在图5的视图中。特别地，该这些换能器元件13、14、20'可以以其他模式被布置，但是图4的模式允许实现圆形换能器元件的较大表面和与该激发面15的有效结合。
图6显示了用于测定根据图7到11所述的广角换能器30的压力分布的实验设置的原理图。该广角换能器30是指分别显示在图7、8、9、10和11的插图中的该这些广角换能器31、32、33、34中的一个。该声扩散器30在垂直位置潜入水37中。
水37被容纳在由边界线28和29所示的容器或导管的边界之间。为了这个测量目的，水是静止的并且相对于边界28和29不流动。
压电陶瓷20'附接到该广角换能器30上，并且由空气38配合以便有效地耦合进入水37中的信号。针形水中听音器(needle hydrophone)39被用于测量声压，该针形水中听音器被布置在该边界29处，在垂直位置并且该广角换能器37相对。坐标选择在水面，原点设在该压电陶瓷的中心。X和Y轴横向于该换能器的表面并且Z轴随远离换能器30的垂直距离增加。为了图7到11的压力图表目的，只使用了平行于该边界29的X坐标。
该针形水中听音器39沿X坐标逐步被移动以拾取来自该广角换能器30声信号。在图6中，该针形水中听音器39被显示在与该广角换能器30的中心相对的位置。如下面进一步提到的，该水中听音器和充当发射面的板的正面之间的距离是150mm。
该这些声扩散器被安装在塑料罩内部，该塑料罩允许插入它们中的一个或两个。举例来说，这显示在图3、4和5中。该罩再与不锈钢杆连接并且固定在水填充的水池(由透明丙烯酸制成)的自由面的适当位置，参见图6。
在技术应用中，该边界28通常由壁提供，比如管道壁。在敞开通道配置(openchannel configuration)中，该换能器被提供在自由面。为了仅测量一个方向上的声信号的目的并且为了容易放置该广角换能器，在敞开通道配置中进行测量已经足够。
通过将该换能器放置在水面，该压电元件20'变成由空气配合，这增加了传送进入水的压力振幅。该信号是用任意波形发生器生成的，供应给55dB RF放大器(350MHz带宽，ENI)并且直接与该压电元件20'连接。
为了测量空间压力分布，具有峰间值电压为80伏特的1MHz的单循环被施加到该压电元件20'上。该声信号是用具有圆形聚偏二氟乙烯(PVDF)传感器的小型水中听音器39测量的。虽然该发射器/接收器位于固定位置，但是该水中听音器39的位置是随可编程的位移平台移动的。当扫描该声场时，该水中听音器以0.5mm的步幅移动，其中y＝0，X在-100mm和100mm之间变化并且z＝150mm。
该测量是自动的。在定位该水中听音器39以后，该电子信号从控制计算机生成，被上传到任意波形发生器，被触发，然后用14位取样示波器捕获。然后，该信号被传输到该计算机并被存储。
为了研究该板的装饰物对空间散射的影响，研究了两个不同地形结构的空间压力分布。厚度6mm的平板充当对照。
图7、8和9显示了在离三个不同配置(图7中的平板、图8中的具有地形结构(该地形结构具有1mm墩尺寸)的扩散器，和图9中的具有地形结构(该地形结构具有2mm墩尺寸)的扩散器)的板的正面150mm距离处测量的最大正压力的空间分布。
图7显示了由只具有腔但没有扩散器的广角换能器产生的参考压力分布。如在图7中看到的，该平板提供了具有单个特征峰的对称的和窄的波束(beam)，该特征峰具有26mm的半极大处全宽度(a full width at half maximum)(FWHM)。
图8显示了由具有单个柱式扩散器(该扩散器具有1mm乘以1mm的较小的柱底尺寸)的广角换能器产生的参考压力分布。在图8的布置中，与图7相比，使用1mm墩尺寸的地形结构在空间压力分布方面存在很强的差异。几个旁瓣(side lobes)明显可见。然而，在25mm处的主峰的FWHM没有显著地改变。
图9显示了由具有单个柱式扩散器(该扩散器具有2mm乘以2mm的较大的柱底尺寸)的广角换能器产生的压力分布。用具有2mm墩尺寸的地形的扩散器获得的图9的压力分布显著地不同。特别是，中心区域的分布是不同的，明显由三个大致相同的在FWHM处振幅跨越大约80mm的峰组成。这个测量提示具有较大墩尺寸的地形扩散器在该泄露腔(the leakycavity)中表现更好。
对于图10、11和12的压力测量来说，构建了混响腔(reverberation cavity)。从而，该声扩散器也可用作接收器。
为了获得紧凑设计，两个平行的扩散板被嵌入该腔中，它们的地形面(terrainsurface)彼此面对。ABS制成的塑料支架固定并且对齐该这些板，使得最高墩之间存在间隙。这个间隙充满水。但是，在其他实施方式中，该腔可充满任何其他声学透明物质，比如凝胶等。
必须注意没有气泡被封入，该气泡会导致不希望的效应，比如气穴现象。因此，装配之前，该扩散器被保存在真空室内部的低压水中，并且水是脱气的。该扩散器被装配进该腔中的同时保持潜入水中。该换能器的最终结构，即墩腔(pillar cavity)，具有4cm x 4cmx 2.5cm的尺寸规格。为参考目的，性能参数(performance)是利用两个未修饰的板(每个6mm厚)形成的腔(也称为“平腔(flat cavity)”)执行的。
压力测量期间，钢铁和水之间的声阻抗的较大不协调导致腔的高Q值，这对理想的长混响时间来说是需要的。换句话，高密度差导致高反射率。
在图10和11中，该这些各自腔的压力分布被测量了用以证实宽空间发射(a widespatial emission)。如以前在图7、8和9的测量中，使用单循环1MHz信号，但是扫描范围增加到该水中听音器的-125mm≤x≤125mm z＝150。测量的从该这些腔中发出的最大压力的分布被描述在图10和11中。
图10显示了由具有腔(该腔由两个平的或未修饰的板40、41界定)的广角换能器产生的参考压力分布。图10的平腔的FWHM是大约33mm。
图11显示了由类似于图3所示的广角换能器的广角换能器产生的压力分布，该广角换能器具有彼此面对的扩散器板16'，36。与图10的压力分布的FWHM相比，图11的地形腔展示了近5倍增加的FWHM(为145mm)。因此，FWHM的延伸远比该扩散器底的宽度大，其是3.8cm＝38mm。总之，具有地形表面的腔换能器大大地提高了空间传播的同时保持了紧凑结构。
作为第一底线的压力FWHM和作为第二底线的板表面之间形成的梯形的张角α可被定义为
通常，时间分辨率受限于腔的衰减时间。
图12显示了两个夹合式换能器10的布置。图12的布置和下面的图13、14、15、17的布置可用于图1到11的广角换能器10、10'、10″、10″′。
流动方向由水平箭头指示并且声信号的传播路径由两个对角线箭头指示。
图13显示了在V字形测量中用于图1到11的实施方式的夹合式换能器110的进一步布置。该这些广角换能器10–10″′可以以各种各样的方式融入到夹合式换能器110中。例如，该这些广角换能器10–10″′可被布置为使得激发面15与该夹合式换能器110的外表面相一致，并且对面的发射面17邻近该夹合式换能器110的楔形部分。
图14显示了在W字形测量中的图13的布置，其中优势声信号在它到达第二换能器之前在管道的边界被反射两次。
图15显示了用于图1到11的实施方式的夹合式换能器的进一步布置。在图15的例子中，该广角换能器10安装到换能器上的夹钳上，其借助电缆夹合在管道上。在图15的布置中是一套四个换能器，一个中间套两个换能器和另一套四个换能器。该这些广角换能器10之间的视线用虚线示出。
图16显示了在图12的布置中接收到的信号。该信号图15阐明了广角换能器在时间域中的聚焦特性(focusing properties)。可通过将时间反转信号应用到该发送广角换能器10获得时间域中的聚焦。
根据本说明书所述的测量信号可通过匹配滤波器建模。如果很尖的脉冲被用作探针或测试信号，那么在该换能器处接收的信号是通道的脉冲响应。本说明书的广角换能器可与时间反转信号一起使用或不与时间反转信号一起使用。当使用时间反转信号时，接收信号的的反转型(inverted version)通过同一通道，在管道中的流的反方向上或在该流的相同方向上，作为测量信号被送回。
这分别导致信号在起源(原始来源(the original source)所在的地方)处具有峰，或信号在原始接收器处具有峰。该峰信号相对于空间和时间变形。时间聚焦特性(thetime focussing property)被阐述在图16中，而空间形状被阐述在图8、9和11中。
对于超声波流量计形成集中于空间和时间的响应信号来说，根据本说明书所述的超声波流量计可通过利用上述的反转信号，或类似形状的信号提供聚焦特性(focusingproperty)。这反过来导致在接收压电元件处的更高的振幅以及更好的信号噪声比。
利用根据本说明书所述的超声波流量计，聚焦和波束形成特性可以在非常一般的条件下得到。例如，如果反转信号的时间分辨率是足够的，那么即使当仅仅一个超声发送器被激发时并且即使当该反转信号减小为仅仅在振幅范围内被粗糙地数字化的信号时也可获得聚焦特性。此外，根据本说明书所述的流量计可被用于夹合式换能器，其很容易安置在管上并且不需要修改该管。
图17显示了用于图1到11的实施方式的湿换能器111的布置。该湿的换能器111伸进该管道，包括广角换能器10。在图17的例子中，共有五层的四个换能器。在同一层中的视线对角线用虚线示出。这个布置对测量分别位于不同层中的流速特别有用。
该布置最好与本说明书的广角换能器和波束形成程序联合使用。波束形成程序通过电子元器件实施，比如信号生成单元和信号估算单元(其又名信号处理单元)。特别地，该波束形成可以包括将时间反转信号施加到广角换能器。
虽然上面的描述包含很多具体说明(specificity)，这些具体说明不应被理解为是对实施方式的范围的限制，而是仅仅提供可预知的实施方式的说明。尤其是，上面陈述的实施方式的优点不应该被理解为是对实施方式的范围的限制，而是仅仅用于解释如果将描述的实施方式放入实践中可能实现的效果。因此，实施方式的范围应该由权利要求和它们的等同物所决定，而不是由给出的例子所决定。
参考编号
10 广角换能器
11 壳
12 腔
13 换能器元件
14 换能器元件
15 激发面
16,16' 声扩散器
17 发射面
18 第一侧面
19 第二侧面
20 换能器元件
20' 针形换能器
21 传送介质
25 柱
26 底面(base surface)
28 边界线
29 边界线
30 广角扩散器
31 参考换能器(reference transducer)
32 广角换能器，小的柱尺寸
33 广角换能器，大的柱尺寸
34 参考换能器
35 广角换能器，双边的(wide angle transducer,double sided)
36 声扩散器
37 水
38 空气
39 针形水中听音器
40 平板
41 平板
110 夹合式换能器(clamp-on transducer)
111 湿换能器

Claims (19)

1.用于发射和接收声波的换能器（10'、10''、10'''），所述换能器包括壳（11），所述壳形成腔（12），所述壳（11）包括：
激发面（15）和发射面（17），所述发射面（17）被布置在所述激发面（15）的对面，
换能器元件，所述换能器元件被提供在所述激发面（15）处，
第一声扩散器（16、16'），所述第一声扩散器被提供在所述壳（11）的发射面（17）处，其中所述第一声扩散器（16、16'）的扩散结构面对所述腔（12），所述换能器包括第二声扩散器（36），所述第二声扩散器（36）被提供在所述激发面（15）处，
其中所述第二声扩散器（36）的扩散结构面对所述腔（12）。
2.根据权利要求1所述的换能器（10'、10''、10'''），其中所述第二声扩散器（36）的扩散结构面对所述第一声扩散器（16、16'）的扩散结构。
3.根据权利要求1所述的换能器（10'、10''、10'''），其中所述第一声扩散器（16'）的扩散结构或这些所述声扩散器（16、16'、36）的这些扩散结构包括柱式扩散结构。
4.根据权利要求1所述的换能器（10'、10''、10'''），其中所述第一声扩散器（16、16'）的扩散结构或这些所述声扩散器（16、16'、36）的这些扩散结构包括室式扩散结构。
5.根据权利要求1所述的换能器（10'、10''、10'''），其中所述第一声扩散器（16、16'）或这些所述声扩散器（16、16'、36）由金属材料制成。
6.根据权利要求1所述的换能器，其中所述第一声扩散器（16，16'）或这些所述声扩散器（16、16'、36）由塑料制成。
7.根据权利要求1所述的换能器（10'、10''、10'''），其中所述第一声扩散器（16、16'）或这些所述声扩散器（16、16'、36）通过3D打印工艺制成。
8.根据权利要求1所述的换能器（10'、10''、10'''），其中所述腔（12）是矩形腔。
9.根据权利要求1所述的换能器（10'''），所述换能器（10'''）包括针形换能器（20），所述针形换能器（20）延伸穿过所述腔（12）并且直到所述发射面（17）。
10.根据权利要求1所述的换能器（10'、10''、10'''），所述换能器元件包括板形换能器元件（13、14、20'），所述板形换能器元件（13、14、20'）被提供在所述激发面（15）处。
11.根据权利要求1所述的换能器，所述换能器元件包括第二换能器元件（13）和第三换能器元件（14），所述换能器包括第一换能器元件，所述第二换能器元件（13）和所述第三换能器元件（14）被提供在所述激发面（15）处，并且所述第一换能器元件与所述发射面（17）接触。
12.根据权利要求11所述的换能器（10''、10'''），其中所述第一换能器元件被布置在所述发射面（17）的中心位置。
13.根据权利要求11或12所述的换能器（10'''），其中所述第一换能器元件（20）是针形换能器，所述针形换能器延伸穿过所述腔（12）并且直到所述发射面（17）。
14.根据权利要求11所述的换能器，其中所述第二换能器元件（13）和所述第三换能器元件（14）以所述第一换能器元件（20、20'）为中心被对称布置。
15.根据权利要求12所述的换能器（10'、10''、10'''），其中所述第一换能器元件、所述第二换能器元件（13）和所述第三换能器元件（14）沿所述激发面（15）的对角线被布置。
16.根据权利要求1的所述的换能器（10'、10''、10'''），其中所述换能器元件包括压电元件。
17.一种换能器（10'、10''、10'''）的生产方法，该方法包括：
提供壳（11），所述壳（11）界定腔（12），
通过3D打印工艺生产第一柱式声扩散器（16、16'），
将所述第一柱式声扩散器（16、 16'）提供在所述壳（11）的发射面（17）上，使得所述第一柱式声扩散器（16、16'）的这些柱（25）面对所述腔（12），
将至少一个换能器元件提供在所述壳（11）的激发面（15）处，所述激发面（15）被布置在所述发射面（17）的对面，
通过3D打印工艺生产第二柱式声扩散器（36），
将所述第二柱式声扩散器（36）提供在所述壳（11）的激发面（15）处，使得所述第二柱式声扩散器（36）的柱面对所述腔（12）。
18.换能器系统，所述换能器系统包括第一换能器和第二换能器, 所述第一换能器和第二换能器是根据权利要求1到16任一项所述的换能器，所述换能器系统包括信号生成单元和信号处理单元，所述信号生成单元与所述第一换能器和所述信号处理单元连接，并且所述信号处理单元与所述第二换能器连接，
其中所述第一换能器、所述第二换能器、所述信号生成单元和所述信号处理单元经配置用于：
将预定第一信号施加到所述第一换能器，
在所述第二换能器处接收所述预定第一信号的响应信号，
从所述响应信号导出测量信号，所述测量信号的导出包括选择所述响应信号或由此导出的信号的信号部分，和相对时间反转所述信号部分，
将所述测量信号存储供以后使用，
将所述测量信号施加到所述第一换能器，
在所述第二换能器处接收所述测量信号的响应信号，
从接收的所述测量信号的响应信号导出流速。
19.根据权利要求18所述的换能器系统，其中所述信号生成单元此外与所述第二换能器连接并且所述信号处理单元此外与所述第一换能器连接，
并且其中所述第一换能器，所述第二换能器、所述信号生成单元和所述信号处理单元经配置用以，
将所述测量信号施加到所述第二换能器，
在所述第一换能器处接收所述测量信号的第二响应信号，
从在所述第二换能器处接收的所述测量信号的响应信号和在所述第一换能器处接收的所述测量信号的第二响应信号导出流速。
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