CN110967077B - 具有密封的3d打印的微型喇叭阵列的超声波换能器 - Google Patents

Abstract

一种流量计包括一对超声波换能器。每个换能器包括壳体、布置在该壳体内的压电晶体以及联接至该壳体的微型喇叭阵列。可以经由3D打印技术形成的微型喇叭阵列包括无开口的外壳、位于该外壳的内部的封闭的腔以及被封围在该封闭的腔内的多个喇叭。喇叭包括喇叭基部部分和喇叭颈部部分，该喇叭基部部分邻近于腔的近端表面，该喇叭颈部部分从基部部分沿远离压电晶体并朝向腔的远端表面的方向延伸。喇叭颈部部分由腔内的空间分开，其中，喇叭颈部之间的空间可以填充有粉末。

Description

具有密封的3D打印的微型喇叭阵列的超声波换能器

技术领域

本公开总体上涉及超声波流量计并且具体地涉及用在超声波流量计中的换能器组件。更具体地，本公开涉及用于对声能的从换能器组件以及至换能器组件的传输进行改进的匹配层结构。

背景技术

比如天然气之类的流体经由管线从一个地方被运输至另一个地方。期望准确地知道在管线中流动的流体的量，并且当流体正在转手或“储存交接”时要求特定的精度。然而，即使在没有进行储存交接的情况下，也期望测量精度，并且在这些情况下可以使用流量计。

超声波流量计是可以用于测量在管线中流动的流体的量的一种类型的流量计。超声波流量计具有足够的精度以用在例如储存交接中。在超声波流量计中，声信号被来回地发送穿过要被测量的流体流。基于所接收的声信号的参数，确定流量计中的流体流速。流动通过计量仪的流体的体积可以根据所计算的流速和流量计的已知的横截面面积来确定。超声波流量计包括产生并检测声信号的换能器。

某些超声波换能器利用微型喇叭阵列作为阻抗匹配层。微型喇叭阵列是在一对板之间延伸的一组间隔开的喇叭形结构，所述喇叭形结构可以被称为“喇叭”。所述板在一侧上声学联接至压电晶体并且在另一侧上声学联接至超声波流量计内的流体。微型喇叭阵列提供压电晶体与流体之间的声阻抗匹配。

已知的微型喇叭阵列包括间隙或通道，以允许阵列与通过计量仪的流体之间的压力均匀化。在一些情况下，微型喇叭阵列中的喇叭之间的间隙可以填充有高粘度、低压缩性的材料比如蜡或油脂。

超声波流量计中的超声波换能器用于对声能穿过计量仪所需的时间进行极其精确的测量，以确定通过计量仪的流体的流速、即之后用于确定通过计量仪的总流量的值。时间测量中的任何误差将导致所测量的流量中的误差。由于超声波流量计通常用于比如在石油产品的购买/销售中的储存交接，因而流量测量中的任何误差可能导致损失金钱。常规的微型喇叭阵列的一个缺点在于，微型喇叭阵列内存在的异物将引起时间测量的偏移，从而最终导致流量测量中的误差。由于管线通常不干净，因而这是一个问题。在气体管线中，经常会受到油、水和微粒的污染。随着时间的推移，这些污染物可能积聚在微型喇叭阵列中，从而导致时间偏移，时间偏移将导致流量测量中的误差。即使在阵列最初充满高粘度材料比如油脂的情况下，随着时间的推移，由于管线内的温度和压力改变，这种高粘度材料也可能从阵列中移出，从而由于高粘度材料损失或被污染物替代而导致时间偏移(和不准确的测量)。

此外，微型喇叭阵列的制造可能是耗时且昂贵的。微型喇叭阵列的机加工特别耗时，原因在于必须制造的大量的小孔/间隙。

常规的微型喇叭阵列可以经由3D打印技术来制造，但是仍然存在该工艺可能增加大量时间和费用的缺点。3D打印的一种方法是直接金属激光烧结(DMSL)。沉积薄的金属粉末(比如钛、铬镍铁合金或不锈钢)层。然后使用激光在需要固体材料的所有点处选择性地加热并熔化(烧结)粉末。然后沉积新的粉末层并且使用激光选择性地烧结。重复该过程，直到整个微型喇叭阵列已经构建为止。然而，然后必须从阵列移除未烧结的粉末。通过间隙从阵列移除粉末可能非常耗时。如果然后期望以高粘度材料填充阵列，则可能花费更多的时间来确保阵列均匀地填充有高粘度材料。

发明内容

本文中所公开的实施方式通过采用下述微型喇叭阵列换能器来提供对超声波流量计和换能器的改进，该微型喇叭阵列换能器将微型喇叭阵列的内部与被引导通过计量仪的流体完全隔离开，并且该微型喇叭阵列换能器可以以较低的制造成本来制造。

在一个实施方式中，超声波流量计包括计量仪本体和通道，该通道位于计量仪本体中以用于对要被计量的流体流的流动进行引导。另外，超声波流量计包括一对超声波换能器，所述一对超声波换能器联接至计量仪本体，换能器构造成在换能器之间形成穿过通道的弦路径。每个换能器包括：换能器壳体；压电晶体，该压电晶体布置在换能器壳体内；以及微型喇叭阵列，该微型喇叭阵列联接至换能器壳体。微型喇叭阵列包括无开口的外壳和封闭的腔，该封闭的腔位于外壳的内部。腔具有近端表面和远端表面。微型喇叭阵列还包括多个喇叭，所述多个喇叭被封围在封闭的腔内，喇叭具有喇叭基部部分和喇叭颈部部分，该喇叭基部部分邻近于腔的近端表面，该喇叭颈部部分从喇叭基部部分沿远离压电晶体并朝向腔的远端表面的方向延伸。喇叭颈部部分由腔内的空间分开。

在另一实施方式中，一种制造超声波换能器的方法包括：使用3D打印技术，构建微型喇叭阵列，使得微型喇叭阵列包括布置在无开口的外壳中的喇叭；并且还包括将微型喇叭阵列附接至构造成容置压电晶体的换能器壳体。

在一些实施方式中，一种制造超声波换能器的方法包括：将第一层粉末涂覆至换能器壳体，并且使第一层粉末的一部分固化并结合至换能器壳体，从而形成第一固化层。更进一步地，在一些实施方式中，该方法包括将后续层粉末添加在第一固化层上方并且使后续层粉末的部分固化并结合至先前形成的固化层，从而形成后续固化层。此外，在一些实施方式中，该方法包括在构建后续固化层的同时在腔内构建喇叭阵列以及使用3D打印技术封围腔。

在另一实施方式中，换能器组件包括换能器壳体，该换能器壳体包括：第一端部；第二端部；以及通道，该通道在第一端部与第二端部之间延伸；以及微型喇叭阵列，该微型喇叭阵列通过3D打印技术构建，并且该微型喇叭阵列与通道间隔开并且延伸至第一端部。另外，换能器组件包括压电晶体，该压电晶体在通道内布置成靠近换能器壳体的第一端部。微型喇叭阵列包括无开口的外壳、布置在外壳内的多个喇叭以及在外壳中布置在喇叭之间的粉末。无开口的外壳通过3D打印技术来密封，从而将粉末保持在腔内。

附图说明

为了对所公开的示例性实施方式进行详细描述，现在将参照附图，在附图中：

图1示出了根据本文中所公开的原理的超声波流量计；

图2示出了图1中所示的超声波流量计的俯视横截面图；

图3示出了图1中所示的超声波流量计的端视图；

图4示出了用于图1中所示的超声波流量计的换能器对的布置；

图5示出了根据本文中所描述的原理的用于在图2的超声波流量计中使用的换能器组件的横截面图；

图6示出了图5的换能器组件的分解立体图；

图7是示出来自图5的换能器组件的前盖以及该前盖的微型喇叭阵列的横截面图；

图8是示出图7的前盖的微型喇叭阵列的横截面图；

图9是示出根据本文中所公开的原理的与图7的前盖相容的微型喇叭阵列的另一实施方式的横截面图；

图10是示出根据本文中所公开的原理的处于制造阶段期间的具有微型喇叭阵列的部分完成的前盖的立体图；

图11示出了处于制造的另一阶段期间的具有部分完成的微型喇叭阵列的部分完成的前盖的立体图，该组件包括根据本文中所公开的原理的微型喇叭阵列；

图12示出了适于形成围绕图11的前盖组件的环形壁的环660的立体图；

图13示出了流程图，该流程图示出了根据本文中所公开的原理的用于使用3D打印技术制造微型喇叭阵列的方法；以及

图14示出了另一流程图，该流程图示出了根据本文中所公开的原理的用于使用3D打印技术制造微型喇叭阵列的方法。

具体实施方式

下面的描述是本公开的某些实施方式的示例。本领域普通技术人员将理解的是，下面的描述具有广泛的应用，并且对任何实施方式的论述意为该实施方式的示例，而非意在以任何方式暗示本公开的范围受限于该实施方式。

附图不是按比例绘制的。本文中所公开的某些特征和部件可以按比例放大示出或以略微示意的形式示出，并且为了清楚和简洁起见，某些元件的一些细节可以不被示出。在附图中的一些附图中，为了改善清楚性和简洁性，一个或更多个部件或部件的一个或更多个方面可以被省去或者可以没有标记特征或部件的附图标记。另外，在说明书——包括附图——内，可以使用相似或相同的附图标记来标记共有的或类似的元件。

如本文中所使用的，术语“包括”和“包含”以及这些术语的衍生词以开放式的方式使用，并且因此应被解释为“包括但不限于……”。此外，术语“联接”或“联接有”意味着间接或直接连接。因此，如果第一部件联接或被联接至第二部件，则部件之间的连接可以通过两个部件的直接接合，或者通过经由其他中间部件、装置和/或连接件而实现的间接连接。表述“基于”意味着“至少部分地基于”。因此，如果X基于Y，则X可以基于Y并且基于任何数量的其他因素。词“或”以包括性的方式使用。例如，“A或B”意味着以下各者中的任何一者：单独的“A”、单独的“B”或“A”和“B”两者。另外，词“基本上”意味着在±10％的范围内。词“均匀”等同于短语“均匀或基本上均匀”。

另外，术语“轴向”和“轴向地”通常是指沿着或平行于给定的轴线，而术语“径向”和“径向地”通常是指垂直于该轴线。例如，轴向距离是指沿着或平行于给定的轴线测量的距离，而径向距离是指垂直于该轴线测量的距离。此外，为了清楚的目的，进行对相对方向或相对位置的任何参照，其中，示例包括“顶部”、“底部”、“上”、“上部”、“向上”、“下”、“下部”、“顺时针”、“左”、“向左”、“右”和“右手”。例如，对象或特征的相对方向或相对位置可以与如图中所示的或如所描述的取向有关。如果从另一取向观察该对象或特征，或者以另一取向实现该对象或特征，则使用替代性术语来描述方向或位置可能有所帮助。

本文中所公开的流量计的各种实施方式是在测量烃流(例如，原油、天然气)的背景下开发的，并且描述遵循发展背景；然而，所描述的系统和方法同样适用于任何流体流的测量。

在极端温度环境下计量流体流提出了许多挑战。在常规的超声波流量计中，换能器包括由低密度环氧树脂制成的匹配层，该匹配层提供了换能器的压电元件例如高密度压电晶体与流动通过计量仪的相对低密度的流体之间的良好的声匹配。遗憾的是，压电元件的热膨胀系数和低密度环氧树脂的热膨胀系数的不匹配可能导致低密度环氧树脂在暴露于流体测量环境中经常出现的温度极限、温度循环和/或高压时破裂。此外，环氧树脂特别是对天然气的化学侵蚀性组分具有低的化学抗性。破裂的和/或脱层的环氧树脂匹配层使换能器性能降低至指示更换换能器的程度，这进而可能需要通过流量计和相关联的管道系统的流体流被中断。

本文中所公开的超声波换能器的实施方式包括压电元件和壳体，该壳体具有匹配结构或匹配层，以提供压电元件与流动通过超声波流量计的流体之间的阻抗匹配。此外，本文中所公开的匹配结构在暴露于各种严酷的环境条件下时不太容易失效。本公开的匹配结构包括微型喇叭阵列，该微型喇叭阵列通过3D打印技术被打印为单片式结构。在各种实施方式中，微型喇叭阵列由与壳体相同的耐化学品的材料比如作为示例的钛、钛合金、

合金或不锈钢制成，使得这些构件的热膨胀系数基本上相等，因此这些构件具有类似的膨胀和收缩。微型喇叭阵列包括或者简称为“喇叭”的喇叭形结构，以提供压电元件与流动通过超声波流量计的流体之间的阻抗匹配。

图1示出了根据本文中所公开的原理的超声波流量计100。超声波流量计100包括计量仪本体或卷筒件102，计量仪本体或卷筒件102限定中央孔或中央通道104。卷筒件102设计并构造成联接至输送流体(例如，天然气)的管线或其他结构(未示出)，使得在管线中流动的流体行进通过中央通道104。在流体行进通过中央通道104时，超声波流量计100测量流量；因此，该流体可以被称为被测量流体。卷筒件102包括凸缘106，凸缘106有助于将卷筒件102联接至另一结构。在其他实施方式中，可以等同地使用用于将卷筒件102联接至结构的任何合适的系统(例如，焊接连接)。

为了测量卷筒件102内的流体流，超声波流量计100包括多个换能器组件。在图1的视图中，可以看到五个这样的换能器组件108、110、112、116和120。换能器组件是成对的(例如，换能器组件108和110)，如将在下面进一步讨论的那样。此外，每个换能器组件通过相应的线缆126或等同的信号传导组件或无线通信方法电联接至控制电子封装124。

图2示出了超声波流量计100的基本上沿着图1的线2-2截取的俯视横截面图。卷筒件102具有预定的尺寸并且限定被测量流体流动通过的中央通道104。沿着卷筒件102的长度定位有说明性的一对换能器组件112和114。换能器组件112和114包括声收发器并且更具体地包括交替地操作为发射器和接收器的超声波换能器组件222。超声波换能器组件222既产生具有高于约20kHz的频率的声信号又接收具有高于约20kHz的频率的声信号。

声信号可以由每个换能器组件222中的压电元件产生并接收。为了产生超声波信号，压电元件借助于通过线缆126传输的信号(例如，正弦信号)被电激励，并且该元件通过振动来响应。压电元件的振动产生声信号，该声信号通过被测量流体传递至所述一对换能器组件中的对应的换能器组件。类似地，接收压电元件在受到声信号撞击时振动并产生电信号(例如，正弦信号)，该电信号被与流量计100相关联的电子设备(例如，控制电子设备124)检测到、进行数字化并分析。

继续参照图2，在说明性的换能器组件112与114之间存在相对于中央孔中心线202成非垂直角度θ(theta)的路径200A，路径200A也被称为“弦”。弦200A的长度是换能器组件112的面与换能器组件114的面之间的距离L。点204和206限定由换能器组件112和114产生的声信号进入及离开流动通过卷筒件102的流体的位置。换能器组件112和114的位置可以通过角度θ、通过在换能器组件112的面与和换能器组件114的面之间测量的弦长L、对应于点204与206之间的轴向距离的第二长度X以及对应于管道内径的第三长度d来限定。在大多数情况下，距离d、X和L是在流量计制造期间精确地确定的。被测量流体比如天然气以速度分布图210沿方向208流动。速度矢量212、214、216和218说明通过卷筒件102的气体速度朝向卷筒件102的中心线202增大。

首先，下游换能器组件112产生超声波信号，该超声波信号在上游换能器组件114上入射并且因此被上游换能器组件114检测到。一段时间之后，上游换能器组件114产生返回超声波信号，该返回超声波信号随后在下游换能器组件112上入射并且被下游换能器组件112检测到。因此，换能器组件沿着弦路径200交换超声波信号220或进行对超声波信号220的“投出和捕获”。在操作期间，这种顺序可能每分钟发生数千次。

超声波信号220在说明性换能器组件112与114之间的渡越时间部分地取决于超声波信号220相对于流体流向上游传递还是向下游传递。对于向下游(即，沿与流体流相同的方向)传递的超声波信号的渡越时间小于超声波信号在向上游(即，逆着流体流)传递时的渡越时间。上游渡越时间和下游渡越时间可以用于计算沿着信号路径的平均速度以及被测量流体中的声速。给定流量计100的输送流体的横截面测量值，则可以使用中央通道104的区域上的平均速度来求出流动通过卷筒件102的流体的体积。

超声波流量计可以具有一个或更多个弦，例如，针对每一对面对面的换能器组件具有一个弦。图3示出了超声波流量计100的端视图。特别地，说明性的超声波流量计100包括在卷筒件102内的不同高度处的四个弦路径200A、200B、200C和200D。每个弦路径200A至200D与交替地操作为发送器和接受器的换能器对相对应。如关于图2所说明的，换能器组件112和114限定弦路径200A。换能器组件108和110限定弦路径200B。换能器组件116和118限定弦路径200C。最后，换能器组件120和122限定弦路径200D。

关于示出了俯视图的图4，示出了四对换能器组件的布置的另一方面。每个换能器组件对与图3的单个弦路径相对应，并且如图4中所示，所述多对换能器组件安装成使得每个弦路径200A至200D布置成相对于中心线202成非垂直的角度。例如，如关于图2所说明的，第一对换能器组件112和114安装成相对于卷筒件102的中心线202成非垂直的角度θ。另一对换能器组件108和110也安装成相对于中心线202成非垂直的角度θ，使得换能器组件108和110的弦路径200B相对于换能器组件112和114的弦路径200A大致形成“X”的形状。类似地，换能器组件116和118平行于换能器组件108和110及其弦路径200B安置，但是处于不同的“水平”或高度处。在图4中没有明确示出的是具有弦路径200D的第四对换能器组件120和122，弦路径200D与换能器组件112和114及其弦路径200A平行并且相对于弦路径200B和200C形成“X”。因此，考虑图2、图3和图4，换能器组件对可以布置成使得换能器组件的与弦200A和200B相对应的上部两对换能器组件形成“X”的形状，而换能器组件的与弦200C和200D相对应的下部两对换能器组件也形成“X”的形状。可以在每个弦200A至200D处确定流体的流动速度以获得弦向流动速度，并且结合弦向流动速度以确定整个管道上的平均流动速度。根据平均流动速度，可以确定在卷筒件中流动的流体的量或速率，并且因此可以确定在管线中流动的流体的量或速率。

通常，控制电子设备(例如，控制电子封装124)使换能器组件222启动、接收换能器的输出、计算对于每个弦的平均流动速度、计算对于计量仪的平均流动速度、计算通过计量仪的体积流量、以及执行计量仪诊断。然后，体积流量以及可能的其他测量值和计算值比如流动速度和声速输出至位于计量仪100的外部的附加装置比如流量计算机。

图5和图6展示了换能器组件222的较近的视图，换能器组件222可以包括在用于流量计100的换能器组件108、110、112、114、116、118、120或122中。换能器组件222具有中心轴线311并且在第一端部或前端部312与第二端部或后端部313之间延伸，第一端部或前端部312靠近贯通通道104(图2)布置或者布置在贯通通道104内，第二端部或后端部313与端部312间隔开并且意在位于贯通通道104的外部以及卷筒件102的外部。换能器组件222包括密封在换能器壳体340内的压电囊315。囊315包括邻近前端部312定位的压电元件或压电晶体318。为简单起见，具有压电囊315的换能器组件222可以被称为超声波换能器。压电囊315包括从第一端部322沿着中心轴线311延伸至第二端部323的长形本体320、在本体320内靠近第二端部323定位的变压器326、以及位于第二端部323处的端盖330。变压器326与压电晶体318轴向间隔开。多个导体328延伸穿过本体320并且将晶体318与变压器326电联接。被保持在端盖330中的多个导体销329电联接在变压器326与可移动的线组或线缆连接器334之间。端盖330在侧壁中包括轴向延伸的槽331，槽331接纳从本体320径向向内延伸的销332。在端盖330与本体320之间捕获有弹性构件333。以这种方式布置，盖330构造成相对于销332和本体320轴向移动预定距离(例如，槽331的轴向长度)，从而通过弹性构件333偏置远离本体320。通过盖330至本体320的这种安装，压电囊315能够延伸以牢固但柔和地将变压器326保持在本体315的内部，其中，压电晶体318在端部312处被压向或压靠外壳体340。弹性构件333例如是螺旋弹簧或波形弹簧。

继续参照图5和图6，外壳体340包括从前端部312延伸的管状的前盖342、管状的本体或杆344、和延伸至后端部313的线保持件或换能器保持件346、以及多直径的通道或孔348，多直径的通道或孔348延伸穿过保持件346、杆344和盖342。例如，壳体340或壳体340的各种构件可以是大体筒形的并且由金属构成。例如，壳体340可以由金属比如作为示例的钛、钛合金、

合金或不锈钢形成。盖342从密封端部343沿着轴线311延伸至远端部345，远端部345与换能器组件222的端部312相对应。盖342在其远端部345处包括微型喇叭阵列350。前盖342也可以被称为匹配梢端，并且在该结构内，盖342的微型喇叭阵列350用作用于高阻抗压电晶体318与在中央通道104中流动的低阻抗流体之间的声阻抗匹配的单片式匹配层。包括微型喇叭阵列350的前盖342可以由金属形成，上面陈述了金属的示例。在各种实施方式中，盖342是单片式结构。

在图5的组件中，压电囊315被接纳在孔348内并且位于保持件346、杆344和盖342内。换能器保持件346与前端部312相反地被螺纹接纳在杆344上。线缆连接器334被保持在保持件346内。前盖342的端部343密封地接合在杆344内并且抵靠隔离间隔件349布置。前盖342和间隔件349被包括隔离弹簧、隔离垫圈以及保持环的各种保持构件364保持在杆344内。如图6中最佳所示，在压电晶体318与前盖342的位于前端部312处的内表面之间定位有接口盘366。在该实施方式中，接口盘366是电绝缘的并且由DuPont^TM

聚酰亚胺膜制成。一些实施方式使用另一种材料，而另一些实施方式缺少接口盘366。

在图5和图6的示例中，压电囊315的长度是可调节的。囊315的本体320包括第一构件380，第一构件380能够安装至第二构件381并且能够从第二构件381移除。构件380相对于构件381的位置是可调节且可闩锁的，以通过被接纳在各个孔口391中的闩锁突片390或多个闩锁突片390来改变本体320的轴向长度。一些实施方式包括缺少下述第一构件的压电囊：该第一构件能够通过被接纳在各个孔口中的任一孔口中的闩锁突片或一对闩锁突片来安装至第二构件以及从第二构件移除以实现可调节的长度。

图7提供了前盖342及其微型喇叭阵列350的较近的视图，微型喇叭阵列350布置在远端部345处，前盖342和微型喇叭阵列350两者均沿着轴线311延伸。另外，盖342包括从微型喇叭阵列350轴向延伸至密封端部343的管状的本体404。盖本体404包括：颈部405，颈部405联接至阵列350；扩大部段406，扩大部段406从颈部405延伸至端部343；多个外部凹槽408，所述多个外部凹槽408位于部段406内；以及孔或筒形腔410，孔或筒形腔410向内延伸穿过端部343、延伸到颈部405中并且朝向阵列350延伸。凹槽408构造成接纳密封件，比如O形环。因此，布置在本体404内的腔406在端部343处是敞开的并且包括封闭端部412。腔410形成壳体340中的接纳压电晶体318(图5)的多直径的孔348的一部分。

图8示出了用于前盖342的微型喇叭阵列350的横截面图。微型喇叭阵列350是大体筒形的，围绕中心轴线或纵向轴线311布置，并且包括多个喇叭420，所述多个喇叭420从基板或背板422延伸至布置在端部345处的前板424。背板422从第一端部428轴向延伸至与第一端部相反的第二端部429。与背板422沿着轴线311间隔开的前板424包括第一端部425和第二端部或外表面427。如图8中所包括的，喇叭420是大体定形状成类似直号角的圆形、渐缩的结构。在各种实施方式中，喇叭420是实心的。环形壁430在板422、424之间轴向地延伸并且环绕喇叭420。壁430和板422、424形成无开口的外壳432，外壳432具有容纳喇叭420的封闭的腔434。外壳432的腔434从背板422上的表面429轴向延伸至前板424的与外表面427相反的第一端部425。背板422的内部第二端部429包括并且可以被称为用于外壳432以及外壳432的腔434的近端表面429。前板424上的第一端部425也可以被称为用于外壳432以及外壳432的腔434的远端表面425。在这种情况下，近端和远端是相对于盖342(图7)内部的接纳压电晶体318(图5)的腔410的封闭端部412而言的。继续参照图8，微型喇叭阵列350的直径D350可以为例如大约一英寸。背板422可以为例如沿着轴线311大约0.15英寸厚。前板424可以为沿着轴线311大约0.03英寸厚，并且阵列350的长度L350可以为例如0.28英寸。

继续参照图8，喇叭420包括喇叭基部部分442和喇叭颈部444部分，喇叭基部部分442邻近于外壳432的近端表面429，喇叭颈部444部分从喇叭基部部分442沿远离近端表面429并朝向外壳432的远端表面425的方向延伸。在图5的换能器组件222中，喇叭420的基部部分442靠近压电晶体318布置。总体上，在图8中所示的实施方式中，喇叭基部部分442的直径随着喇叭基部部分442朝向前板424延伸而扩展，并且颈部444以减小的比率继续该扩展或者具有恒定的直径。相邻的喇叭420的喇叭颈部部分444由腔434内的空间间隔开、分开，并且在该示例中，喇叭420的完整长度由腔434内的空间与相邻的喇叭420间隔开、分开，因此，基部部分442是间隔开的。

微型喇叭阵列350可以包括例如12至100个喇叭420。多个喇叭420和前板424提供有效的声工作区域匹配层。在该范围内，一些实施方式包括30至45个喇叭。例如，微型喇叭阵列350可以设计成以处于50kHz至500kHz的范围中对于压电晶体318的的工作频率和处于0.1MRayls至7MRayls的范围中的声阻抗来操作。在该范围内，一些实施方式使用125MHz的工作频率。每个喇叭420包括邻近背板422的基部和从该基部延伸且邻近于前板424的颈部。颈部的横向横截面面积小于基部的横向横截面面积。微型喇叭阵列350的实施方式可以包括具有各种形状的喇叭420，所述各种形状比如于2015年3月24日提交的且标题为“Transducer Mini-Horn Array for Ultrasonic Flow Meter(用于超声波流量计的换能器微型喇叭阵列)”的美国专利No.9,506,790中所描述的微型喇叭阵列中的喇叭的形状，该美国专利的全部内容在此通过参引并入本文以用于所有目的。

参照图7和图8，微型喇叭阵列350完全由增材制造工艺构建，该增材制造工艺也可以被称为三维(3D)打印工艺并且包括一种3D打印技术或多个3D打印技术或步骤。3D打印技术的示例包括：规划构建过程、沉积薄的粉末层以及加热沉积层的一部分或整个沉积层。粉末可以被称为粉末材料或构建材料。术语“3D打印技术”还可以指作为整体的3D打印工艺。用于制造微型喇叭阵列350的3D打印工艺可以包括3D打印机的单次设置或单个会话。例如，在一些示例中，图8的整个微型喇叭阵列350在该微型喇叭阵列350中的任何一者从3D打印机移除之前被打印。对于一些实施方式，背板422的第一端部428通过3D打印技术直接构建在图7的盖本体404上。在一些示例中，微型喇叭阵列350通过3D打印技术形成并且随后通过焊接、结合、钎焊、涂覆环氧树脂、扩散粘结或另一种合适的技术附接至前盖本体404，以构建前盖，比如图7的前盖342。

用于微型喇叭阵列350的3D打印技术可以包括：沉积一层又一层的可结合或可熔的粉末。3D打印可以例如通过将背板422的第一端部428构建为用于制造的基部或底部熔化表面而开始。每一层粉末均可以通过聚焦激光或通过加热灯来加热，聚焦激光或加热灯中的任何一者均可以熔化当前层的全部或一部分。一种这样的3D打印技术是直接金属激光烧结(DSMI)。对于一些实施方式，首先逐层形成背板422、将喇叭420和壁430逐层构建在一起、并且最后假设逐层形成前板424。对于一些实施方式，壁430环绕背板422和前板424，使得壁430跨越背板422和前板424的轴向长度以及喇叭420的轴向长度。对于这些实施方式中的任何实施方式，可以说，使用3D打印技术将壁430与背板422、前板424和喇叭420同时构建。3D打印技术形成无开口的外壳432，外壳432被完全密封例如气密密封以防止气体、固体或液体的侵入或损失，这使作为用于换能器组件222的匹配层的微型喇叭阵列350的声性能稳定。因此，背板422、前板424、喇叭420和壁430全部在同一3D打印技术或过程期间构建。外壳432在3D打印期间开始完成前板424之后或者完成前板424时被密封。在腔434内，喇叭420之间的空间填充有松散的或未熔化的粉末448，粉末448是层叠地沉积的相同构建材料的一部分。板422、424之间以及封闭的外壳432内的喇叭420之间的未熔化的粉末448的存在可以在前端部312内、在换能器晶体318与可能在流量计100(图2)的通道104中流动的流体之间提供有益的声传输或联接特性。在构建喇叭420和背板422之前使用将前板424构建为用于制造的基部或底部表面的3D打印技术也将是可行的。在制造期间，其他取向是可能的。贯穿微型喇叭阵列350的材料的类型(熔化的和未熔化的)的均匀性对于作为换能器组件222的匹配层的阵列350的结构和声性能可能是有益的。例如，阵列350中的未熔化的金属粉末的存在可以对阵列350中的不希望的声鸣震或声振动进行阻尼并且为阵列350提供具有与外壳432的热膨胀系数相同或基本类似的热膨胀系数的填充材料。以这种方式将阵列350构建为无开口的单元并且将未熔化的金属粉末留在外壳432的内部降低了与移除未熔化的粉末相关联的以及与添加用以封围微型喇叭阵列的独立环的附加步骤相关联的制造成本。

图9的实施方式是微型喇叭阵列450，除了阵列450缺少未熔化的粉末之外，微型喇叭阵列450包括微型喇叭阵列350的所有特征。微型喇叭阵列450例如包括由背板422、前板424和环形壁430形成的外壳452。外壳452包括封闭的腔434，封闭的腔434容纳从背板422延伸至前板424的多个喇叭420。喇叭420彼此间隔开，如先前所描述的那样。微型喇叭阵列450可以通过与微型喇叭阵列350相同的3D打印工艺/技术来形成，从而将外壳452形成为无开口的外壳。随后的制造步骤可以包括穿过壁430或另一位置钻出一个孔或多个孔或孔口，并且将未熔化的粉末从腔434移除。在一些实施方式中，微型喇叭阵列450可以通过与微型喇叭阵列350类似的方法形成，但是微型喇叭阵列450形成有通过3D技术形成在外壳452中的孔口，以允许移除未熔化的粉末。对于这样的实施方式，钻出的孔或孔口可以稍后用一个或多个补块456通过焊接、钎焊、涂覆环氧树脂或另一种合适的技术来填充，以重新密封外壳452和外壳452的腔434。因此，微型喇叭阵列450的外壳452由熔化的粉末并且由附加材料形成。以这种方式，外壳452在3D打印之后变成无开口的外壳。在各种实施方式中，外壳452的腔434可以填充有空气或经选择的气体、液体、凝胶或另一种物质。微型喇叭阵列450可以通过3D打印技术直接构建到前盖的盖本体上，或者阵列450可以通过3D打印技术形成并且随后通过不同的、合适的技术附接至前盖本体，如上面关于阵列350所描述的那样。

图10是使用3D打印技术将微型喇叭阵列直接构建在前盖本体上的示例。在图10中，部分完成的筒形的前盖500沿着纵向轴线501延伸并且包括通过3D打印技术直接制造在由筒形库存材料552制成的实心件上的微型喇叭阵列550。库存材料552从第一端部553延伸至第二端部554，第二端部554包括径向延伸的端部表面555。微型喇叭阵列550包括与图7和图8的微型喇叭阵列350相同的特征。作为示例，阵列550包括形成无开口外壳432的背板422、环形壁430和前板424。尽管在图10中未示出，但是外壳432包括容纳多个喇叭的封闭的腔，所述多个喇叭被密封在外壳432内的未熔化的粉末环绕。用以形成固化的阵列550的粉末和阵列550内的未熔化的粉末可以是粉末状版本的与固体库存材料552相同的材料，或者可以使用不同的材料。

在图10中，微型喇叭阵列550的暴露表面因在该示例中使用的3D打印技术而是粗糙的，并且用于盖本体的库存材料552是尺寸过大的，库存材料552相比于阵列550具有更大的直径。为了将部分完成的前盖500转换成完成的前盖342，例如，可以将微型喇叭阵列550夹持在车床的卡盘中，使得库存材料552被机加工成盖本体404(图7)。在该过程中，图10的库存材料552将被机加工至一个或多个正确的直径，所述一个或多个正确的直径包括位于端部处的具有多个外部凹槽的扩大部分。如果库存材料552最初与阵列550不同心，则机加工过程也将解决该问题。将穿过材料552的大部分轴向长度添加孔或筒形腔(例如，图7的腔410)。在对库存材料552进行机加工之后，可以夹持库存材料552，并且可以将微型喇叭阵列550的外表面机加工成变得光滑并实现对于前板424的选定直径和选定壁厚。当图7的盖342如关于图10所描述的那样形成时，图7的盖342是单片式结构，该单片式结构包括由不同制造方法形成的多个材料部分。对于该实施方式，盖342包括由传统机加工形成的本体404和由3D打印形成的微型喇叭阵列350。

在图10的一些实施方式中，库存材料552在添加微型喇叭阵列550之前包括从第一端部553朝向端部554向内延伸的孔或筒形室410(例如，图7)或者包括前盖本体404的其他特征。在一些实施方式中，微型喇叭阵列通过3D打印技术直接构建在完全成形的前盖本体404上并且可以被机加工成匹配盖本体404的外径。

图11展示了下述机会：使用3D打印来制造微型喇叭阵列以形成内部具有喇叭的外壳的一部分，并且稍后在完成3D打印过程/技术之后添加外壳的其余部分。图11示出了部分完成的前盖600，该部分完成的前盖600具有通过3D打印技术直接制造在筒形库存材料件652的端部表面555上的微型喇叭阵列650的一部分。在该过程中的这一阶段，阵列650包括背板422、前板424和多个喇叭420，而没有环绕喇叭的环形侧壁。在该示例中，未熔化的粉末已经从喇叭之间被移除。图12示出了环660，环660可以围绕图11中的前盖组件600的板422、424和喇叭420安装，以形成环形壁并使微型喇叭阵列650完整。环660的安置或附接可以通过对部分完成的前盖600进行冷却或对环660进行加热以将环660滑动或按压到位来执行。在一些示例中，环660的附接可以通过焊接、钎焊、涂覆环氧树脂、扩散粘结或另一种合适的工艺来执行。所得到的实施方式可以例如在车床上进行机加工，以形成与图7中的前盖342类似但缺少未熔化的粉末的前盖。当前盖如关于图11和图12所描述的那样形成时，前盖是单片式结构，该单片式结构包括由不同制造方法形成的多个材料部分。对于该实施方式，前盖包括由传统机加工形成的本体404(图7)和由3D打印形成的微型喇叭阵列650。

作为示例，环660可以通过机加工、通过锻造、通过铸造来制造。在一些实施方式中，环660由实心件材料制造。在一些实施方式中，环660通过3D打印技术与图11中所示的微型喇叭阵列650的部分分开制造。

图13示出了根据本文中所描述的原理的用于制造微型喇叭阵列的方法700。在方框702处，方法700包括：使用3D打印技术、构建微型喇叭阵列，使得微型喇叭阵列包括布置在无开口的外壳中的喇叭。方框704包括：将微型喇叭阵列附接至构造成容置压电晶体的换能器壳体。

图14示出了根据本文中所描述的原理的用于制造微型喇叭阵列的方法720。方框722包括：将第一层粉末涂覆至换能器壳体。方框724包括：使用3D打印技术，使第一层粉末的一部分固化并结合至换能器壳体，从而形成第一固化层。方框726包括：将后续层粉末添加在第一固化层上方，并且使用3D打印技术，使后续层粉末的部分固化并结合至先前形成的固化层，从而形成后续固化层。方框728包括：使用3D打印技术，在构建后续固化层的同时在腔内构建喇叭阵列。方框730包括：使用3D打印技术，封围腔。

在方框732处，方法720包括：使用3D打印技术，使腔中的在喇叭之间的粉末是未熔化的、例如是松散的。方框734包括：使用3D打印技术将微型喇叭阵列构建在换能器壳体上。在该方法的一些实施方式中，微型喇叭阵列是圆形的并且与壳体同心地构建到换能器壳体上。在一些实施方式中，微型喇叭阵列在构建到换能器壳体上时与该壳体不同心。方框736包括：夹持微型喇叭阵列并将换能器壳体机加工成与微型喇叭阵列同心。

对于一些实施方案，方法720的各个方框可以应用在方法700内。方法700、720的一些实施方式可以包括比所描述的操作少的操作。方法700、720的一些实施方式可以包括基于包括相关联的附图的本说明书中其他地方提出的其他构思的附加操作。例如，在一些实施方式中，方法700、720包括：在不是通过3D打印技术构建的库存材料件上构建微型喇叭阵列。在一些实施方式中，该方法包括：对库存材料件进行机加工以形成换能器壳体的一部分。

尽管已经示出并描述了示例性实施方式，但是本领域普通技术人员在不脱离本文中的范围或教示的情况下可以对示例性实施方式进行修改。本文中所描述的实施方式仅是示例性的而不是限制性的。本文中所描述的系统、装置和过程的许多变型、组合和改型是可能的并且在本公开的范围内。因此，保护范围不限于本文中所描述的实施方式，而是仅由所附权利要求限制，所附权利要求的范围应当包括权利要求书的主题的所有等同物。在书面描述或附图内的任何特定方法步骤或操作的包括内容不一定意味着该特定步骤或操作对该方法是必要的。除了明确说明顺序的那些特定步骤或操作——如果有的话——之外，说明书或权利要求中所列出的方法的步骤或操作可以以任何可行的顺序执行。在一些实施方案中，方法步骤或操作中的两个或更多个方法步骤或操作可以并行执行而不是串行执行。

Claims (19)

1.一种超声波流量计，包括：

计量仪本体；

通道，所述通道位于所述计量仪本体中以用于对要被计量的流体流的流动进行引导；

一对超声波换能器，所述一对超声波换能器联接至所述计量仪本体，所述换能器构造成在所述换能器之间形成穿过所述通道的弦路径，每个换能器包括：

换能器壳体；

压电晶体，所述压电晶体布置在所述换能器壳体内；以及

微型喇叭阵列，所述微型喇叭阵列联接至所述换能器壳体，所述微型喇叭阵列包括：

无开口的外壳；

封闭的腔，所述腔位于所述外壳的内部，所述腔具有近端表面和远端表面；以及

多个喇叭，所述多个喇叭被封围在封闭的所述腔内，其中，所述喇叭包括喇叭基部部分和喇叭颈部部分，所述喇叭基部部分邻近于所述腔的所述近端表面，所述喇叭颈部部分从所述喇叭基部部分沿远离所述压电晶体并朝向所述腔的所述远端表面的方向延伸，其中，所述喇叭颈部部分由所述腔内的空间分开。

2.根据权利要求1所述的超声波流量计，还包括在所述腔中位于所述喇叭之间的粉末。

3.根据权利要求2所述的超声波流量计，其中，所述外壳包括第一材料，并且其中，所述粉末包括呈粉末形式的所述第一材料。

4.根据权利要求1所述的超声波流量计，其中，所述腔中的所述喇叭之间的所述空间填充有粉末。

5.根据权利要求4所述的超声波流量计，其中，所述外壳包括第一材料，并且其中，所述粉末包括呈粉末形式的所述第一材料。

6.根据权利要求1所述的超声波流量计，其中，所述微型喇叭阵列通过3D打印技术制造。

7.根据权利要求6所述的超声波流量计，其中，无开口的所述外壳通过3D打印技术来密封。

8.根据权利要求6所述的超声波流量计，其中，所述壳体包括：管状的杆；前盖，所述前盖位于所述杆的前端部处；以及换能器保持件，所述换能器保持件联接在所述杆的后端部处；并且

其中，所述前盖包括管状的本体，并且

其中，所述微型喇叭阵列通过3D打印直接形成在管状的所述本体上。

9.一种制造超声波换能器的方法，所述方法包括：

使用3D打印技术，构建微型喇叭阵列，使得所述微型喇叭阵列包括布置在无开口的外壳中的喇叭；以及

将所述微型喇叭阵列附接至构造成容置压电晶体的换能器壳体。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，使用3D技术以及将所述微型喇叭阵列附接至所述换能器壳体包括：

将第一层粉末涂覆至所述换能器壳体；

使所述第一层粉末的一部分固化并结合至所述换能器壳体，从而形成第一固化层；

将后续层粉末添加在所述第一固化层上方并且使所述后续层粉末的部分固化并结合至先前形成的固化层，从而形成后续固化层；

在构建所述后续固化层的同时在腔内构建所述喇叭阵列；以及

使用3D打印技术封围所述腔。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，使用3D打印技术包括：使在所述腔中位于所述喇叭之间的粉末是未熔化的。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述微型喇叭阵列是圆形的并且与所述壳体同心地构建到所述换能器壳体上。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，使用3D打印技术包括并且将所述微型喇叭阵列附接至所述换能器壳体包括：

在所述换能器壳体上构建所述微型喇叭阵列；

其中，所述方法还包括：

夹持所述微型喇叭阵列；以及

将所述换能器壳体机加工成与所述微型喇叭阵列同心。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，使用3D打印技术以及将所述微型喇叭阵列附接至所述换能器壳体包括：

在不是通过3D打印技术构建的库存材料件上构建所述微型喇叭阵列；以及

对所述库存材料件进行机加工以形成所述换能器壳体的一部分。

15.一种用于在超声波流量计中使用的换能器组件，所述换能器组件包括：

换能器壳体，所述换能器壳体包括：第一端部；第二端部；以及通道，所述通道在所述第一端部与所述第二端部之间延伸；以及微型喇叭阵列，所述微型喇叭阵列与所述通道间隔开并且延伸至所述第一端部；以及

压电晶体，所述压电晶体在所述通道内布置成靠近所述换能器壳体的所述第一端部；

其中，所述微型喇叭阵列通过3D打印技术构建，所述阵列包括：

无开口的外壳；

多个喇叭，所述多个喇叭布置在所述外壳内；以及

粉末，所述粉末在所述外壳中布置在所述喇叭之间；并且

其中，无开口的所述外壳通过3D打印技术来密封，从而将所述粉末保持在所述外壳的内部的腔的内部。

16.根据权利要求15所述的换能器组件，其中，所述换能器壳体包括前盖，所述前盖具有管状的盖本体，并且所述通道延伸到所述盖本体中，并且

其中，所述微型喇叭阵列通过3D打印技术直接形成在所述盖本体上。

17.根据权利要求16所述的换能器组件，其中，所述盖本体不是通过3D打印技术制造的。

18.根据权利要求15所述的换能器组件，其中，所述外壳包括背板、与所述背板间隔开的前板以及从所述背板延伸至所述前板的壁，并且

其中，所述背板、所述前板、所述壁以及所述喇叭通过同一3D打印技术构建。

19.根据权利要求15所述的换能器组件，其中，所述壳体包括：前盖，所述前盖从所述第一端部延伸；管状的杆，所述杆密封地接合所述前盖；换能器保持件，所述换能器保持件联接至所述杆并延伸至所述第二端部；

其中，所述前盖包括管状的盖本体，管状的所述盖本体由不是通过3D打印制造的库存材料形成；

其中，所述通道延伸到管状的所述盖本体中；并且

其中，所述微型喇叭阵列通过3D打印技术直接形成在管状的所述盖本体上。

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