CN112351682B - 用于为宽带超声换能器设备提供声阻抗匹配的技术及使用该技术的野生动物阻吓方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于通过将至少一个阻抗匹配板(IMP)和垫片添加到宽带超声换能器设备(UTD)来为UTD提供有效的声阻抗匹配的系统和方法。IMP是具有孔网格的平板，并且垫片例如设置在IMP和UTD的超声换能器之间，所述超声换能器例如为压电换能器。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年4月10日递交的序列号为62/655,715的美国临时申请的申请日的权益，该美国临时申请的教导的全部内容通过引用并入本申请中。
技术领域
本发明总体涉及超声换能器设备，尤其是涉及用于为宽带超声换能器设备提供声阻抗匹配的技术以及使用该技术的野生动物阻吓方法。
背景技术
许多形式的可再生能源，例如风力涡轮机，可能危害野生动物，诸如在极接近这些可再生能源处具有栖息地的蝙蝠和其它动物。阻止野生动物进入危险区域的一些解决方案包括使用声换能器设备，例如输出特定的频率和声压级的超声换能器设备(ultrasonictransducer device，UTD)。例如，风力涡轮机结构可包括布置在关键位置的多个UTD，以防止蝙蝠进入涡轮叶片的区域并受到涡轮叶片的伤害。
操作UTD的一个挑战来自UTD的超声能量在周围空气中随距离迅速衰减。为了帮助补偿这种迅速衰减，可以通过使用声阻抗匹配设备来优化来自UTD的能量到空气的耦合。常见的声阻抗匹配设备包括喇叭和四分之一波长匹配层。这些设备由于材料特性、制造成本、制造难度、物理尺寸、对光束角的影响、散热和对特定环境的鲁棒性而具有缺点。
附图说明
根据符合所要求保护的主题的实施例的以下详细描述，所要求保护的主题的特征和优点将变得显而易见，这些详细描述应参考附图进行考虑，其中：
图1示意性地示出了符合本发明的宽带超声换能器设备(UTD)的一个示例。
图2是符合本发明的UTD的一个示例的立体图。
图3是符合本发明的子阵列的分解图。
图4是图3中所示的子阵列的后视立体图。
图5是图3中所示的子阵列的剖视图。
图6是符合本发明的阻抗匹配板的正视图。
图7是符合本发明的阻抗匹配板和垫片的后视图。
图8是图3中所示的子阵列的剖视图。
图9是图3中所示的子阵列的剖视图，其包括夸大的尺寸。
图10是符合本发明的另一子阵列的分解图。
图11是图10中所示的子阵列的一部分的剖视图。
图12是图10中所示的子阵列的另一部分的剖视图。
具体实施方式
符合本发明的系统和方法通过将一个或多个阻抗匹配板(impedance matchingplate，IMP)和一个或多个垫片添加到宽带超声换能器设备(UTD)来为UTD提供有效的声阻抗匹配。IMP是具有孔网格的平板，并且垫片被放置在IMP和UTD的超声换能器(例如，压电换能器)之间。垫片可以是单独的部件，例如金属箔，或者可以与IMP集成在一起，例如IMP和垫片可以由单块材料加工而成。通常，一个或多个垫片在超声换能器的表面和一个或多个IMP之间形成薄而精确的气隙。在操作中，该薄的气隙形成高压区域，该高压区域导致在换能器表面上的负载比没有垫片时会产生的在换能器表面上的负载高。这种较高的负载提高了从换能器到空气中的能量传递的效率，从而导致了更高的声压级。换能器产生的压力波通过小孔的网格传播，从而使每个孔成为声辐射器。
该一个或多个IMP的物理设计可以根据相关联的超声换能器的固有频率和构造该换能器的材料而不同。孔的大小、网格间距、板厚度和垫片厚度可以针对特定的换能器进行优化，并且可以将该一个或多个IMP和该一个或多个垫片进行构建以为换能器阵列提供阻抗匹配。而且，取决于IMP配置，可以最小地影响或优化所得的UTD配置的光束角。
有利地，该一个或多个IMP可以由金属或金属合金构造(例如加工)而成，并例如通过子组件和垫片热耦合至超声换能器，从而使该一个或多个IMP用作超声换能器的散热器。由于超声换能器可以在高电压下驱动而不会过热，这使得UTD可以实现更高的声压级。而且，该一个或多个IMP可以例如使用常见的紧固件和/或粘合剂在许多位置处联接到UTD，以确保该一个或多个IMP平坦地靠在UTD上，从而使垫片形成的气隙在UTD的整个表面上均匀。将该一个或多个IMP联接到UTD还可以实现紧凑的组件。另外，该一个或多个IMP和该一个或多个垫片可以通过使用标准的制造工艺由通常在恶劣的环境中使用的材料(例如金属或金属合金)制成。
本文将结合宽带UTD来描述符合本发明的系统和方法的实施例，该宽带UTD包括壳体部，该壳体部构造成联接到多个压电子阵列或多个压电子阵列板。每个压电子阵列板包括多个机械加工的槽或腔，以接纳各个窄带(例如1kHz-3kHz)压电换能器元件，这些压电换能器元件具有使每个压电子阵列板以标称谐振频率发射超声能量的特性(例如，几何形状，材料组成)。因此，每个压电子阵列板都以单频发射，从一般意义上讲，每个相关联的压电元件放大该单频。宽带UTD的该壳体部包括压电子阵列板的阵列，以提供宽带发射能力，这在阻吓单元(deterrent unit，DU)应用中特别有利以用于阻止野生动物进入与该DU相关联的区域。
特别适合于野生动植物阻吓的受关注的一个这样的示例性关注带宽是20kHz至60kHz，这是表征白噪声的频率范围。注意，根据本发明所配置的宽带UTD不必限于20kHz和60kHz范围内的频率，并且例如可以取决于期望的配置而被配置为输出高达和超过100kHz的其它频率。
尽管本文参考针对UTD的特定配置和应用描述了实施例，但是应当理解，符合本发明的一个或多个IMP和垫片的配置可以用于提供声阻抗匹配的各种应用中。另外，本文结合超声换能器描述实施例。应该理解，符合本发明的系统和方法不限于超声换能器，并且可以利用其它类型的声换能器实现。而且，尽管本文中可以结合压电换能器描述示例性实施例，但是符合本发明的系统和方法不限于压电换能器的使用，并且可以在没有诸如电磁声换能器之类的换能器的情况下实现。
图1示意性地示出了符合本发明的宽带超声换能器设备(UTD)100的一个示例。宽带UTD 100以高度简化的形式示出，并且其它实施例也在本发明的范围内。如图所示，宽带UTD 100包括壳体102。壳体102包括控制器104、多个通道(被共同地示为通道驱动器106，并且被单独地示为通道驱动器106-1、...、106-N)、压电换能器阵列108和电源电路112。
本文公开的各种场景和示例包括在室外环境或需要考虑灰尘、热、湿气和其它条件的任何其它环境中使用宽带UTD 100。壳体102可以被加固和密封以防止这些污染物进入。在某些情况下，壳体102包括塑料、聚碳酸酯或任何其它合适的刚性材料。
尽管图1的示例性实施例示出了位于壳体102内的每个部件，但是本发明不必局限于这一点。例如，电源电路112和控制器104可以不与通道驱动器106和压电换能器阵列108一起位于(例如，并列位于)壳体102中。许多其它替选项和变换项在本发明的范围内。
控制器104包括至少一个处理设备/电路，诸如，举例而言数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、现场可编程门阵列(filed-programmable gatearray，FPGA)、精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer，RISC)处理器、x86指令集处理器、微控制器或专用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)。可以使用例如软件(例如，在控制器/处理器104上执行的C或C++)、硬件(例如，硬编码门级逻辑或专用硅片)或固件(例如，在微控制器上执行的嵌入式例程)或其任意组合来实现控制器104的各方面。
电源电路112可以是用于向宽带UTD 100供电的任何合适的布置。电源电路112可以被配置为从外部源(例如，从AC干线)和/或经由一个或多个电池(未示出)接收电力。尽管电源112被示出为电联接到控制器，但是电源112可以联接到每个通道驱动器106，例如，以在宽带UTD 100工作期间提供电力。
例如，每一个通道驱动器106可包括放大电路和压电驱动器电路以基于从控制器104接收的信号来驱动换能器阵列108中的相关联的压电换能器。换能器阵列108中的每个压电换能器可以被实现为封闭式换能器，其可以是气密密封的。封闭式换能器对于室外环境可以是特别有利的，因为它们防止污染物的进入，并且对于以灰尘和/或其它污染物为特征的室内环境也是特别有利的。每个压电换能器可以包括金属壳体，该金属壳体具有一体的金属膜片。每个压电换能器的背面可以用树脂或其它合适的密封剂完全密封以防止给定环境中的污染物进入。其它压电换能器设备(例如，未封闭式)在本发明的范围内，并且本发明不应被解释为在这方面进行限制。
通道驱动器106-1、...、106-N中的每一者相应地与压电换能器设备(本文中也被称为压电换能器元件)的对应子阵列109-1、...、109-N相关联。尽管在每个子阵列109-1、...、109-N中示出了五个(5)压电换能器，但是本发明不应在此方面进行限制。例如，取决于所需的配置，通道驱动器106-1、...、106-2中的每一者可与2个、5个、7个、10个或任何数量的压电换能器的子阵列109-1、...、109-N相关联。在任何情况下，每个通道驱动器和相关联的子阵列109-1、...、109-N在本文中可以统称为“通道”或“输出通道”。因此，通道驱动器106-1和子阵列109-1可以统称为通道1；通道驱动器106-2和相关联的子阵列109-2可以称为通道2，以此类推。
换能器阵列108中的每个压电换能器可以被配置为基本上相同。为了提供特定的非限制性示例，换能器阵列108中的每个压电换能器可以实施为具有中心频率25KHz±1Khz、最小声压级113dB和带宽约1.0KHz。在其它情况下，可以利用不同的压电换能器设备。如下面所讨论的，每个压电子阵列板的物理特性确定谐振频率，并且因此，联接到每个压电换能器的槽/腔的属性可以改变以实现标称谐振频率。
因此，UTD 100的每个通道可以与输出频率相关联，该输出频率基于所使用的特定压电换能器元件和压电换能器元件所联接到的相关联的腔/槽的性质相对于其它通道是唯一的。UTD 100的每个通道进一步包括基于压电换能器元件的带宽的多个输出谐振频率。例如，每个压电换能器元件可包含±6kHz带宽，但其它带宽也在本发明的范围内。例如，考虑通道1具有约25KHz的标称/设计谐振频率。在此示例中，与此标称频率相关联的高频率值和低频率值可分别包含范围从28kHz到22kHz的频率。因此，通道1可以被驱动以发射/输出在22kHz至28kHz的范围内的谐振频率，而不会危及或以其他方式降低压电换能器109-1的性能。通道2同样可以被配置成被驱动以基于中心频率32kHz发射/输出例如在29kHz至35kHz的范围内的谐振频率。因此，根据一实施例，宽带UTD 100的每个通道可被配置为覆盖谐振频率的专有的且不重叠的范围。在其它情况下，宽带UTD 100可配置有具有重叠范围或至少部分重叠的范围(例如，重叠至少1kHz的范围)的通道。
在操作中，控制器104向每个通道驱动器106提供信号(例如，方波)以使相关联的子阵列109-1、...、109-N以特定的谐振频率发射。控制器104可以通过以一比例频率向相关联的通道驱动器电路提供信号来选择用于给定通道的特定输出频率。该信号的占空比提供“接通(on)时间”相对于“断开(off)时间”的关系，也就是说，压电换能器发射特定输出频率的时间段相对于压电换能器断开(或去激励)的时间段的关系。通道接通时间可以由停留时间参数来管理。接通时间与断开时间的总比率可大致相等，例如以提供50％的占空比，但其它占空比也在本发明的范围内。
在符合本发明的一些实施例中，控制器104可使一个或多个通道同时发射各自的频率，同时发射的频率的最大数量等于通道的总数。例如，在六(6)通道布置中，如图1中所示，控制器104可使各通道1、...、通道6同时发射六个不同的频率。为了实现特定的期望波形，例如，诸如白噪声波形或有色噪声波形，控制器104可以以随机模式选择性地驱动一个或多个通道“接通”，同时使其它通道断开。
图2示出了符合本发明的宽带UTD 100的实施方式。如图所示，宽带UDT 100包括细长的矩形壳体16，六个子阵列109-1、...、109-6联接到细长的矩形壳体16。壳体16可包括例如金属或金属合金，例如铝或任何其它合适的刚性材料。子阵列109-1、...、109-6中的每一者包括具有相同或基本相似的标称频率的相关联的多个压电换能器，并且经由一个或多个紧固构件(例如一个或多个螺钉403)联接到壳体16。子阵列109-1、...、109-6中的每一者可以彼此声学隔离(例如，来自相邻子阵列109-1、...、109-6的振动具有可忽略的影响或没有影响)并且彼此电隔离。
有利地，子阵列109-1、...、109-6中的每一者包括联接至相关联的子阵列板113-1、...、113-6的相关联的阻抗匹配板(impedance matching plate，IMP)111-1、...、111-6。每个子阵列109-1、...、109-6的IMP 111-1、...、111-6与整体或单独的垫片结合(参见图7-图9)，为来自与子阵列109-1、...、109-6相关联的压电换能器的能量输出提供声阻抗匹配。这种阻抗匹配提供了从换能器到空气中的能量传递的效率的增大，从而导致更高的声压级。此外，在一些实施例中，每个子阵列109-1、...、109-6的IMP 111-1、...、111-6可以热耦合(例如，通过与子阵列板113-1、...、113-6和/或紧固件直接接触)到压电换能器。这允许子阵列109-1、...、109-6实现高声压级，这是因为与其相关联的压电换能器可以在高电压下被驱动而不过热。
图3是符合本发明的子阵列109的一个实施例的分解图。图示的实施例包括七个压电换能器308、子阵列板113、IMP 111和用于将IMP 111紧固到子阵列板113的紧固件115。垫片702设在IMP的底部上。结合图9中提供的放大图，垫片702被更清楚地看到并在下文予以更详细地描述。
图4是图3中所示的子阵列109的后视立体图。所示的子阵列板113包括可由例如铝或其它合适的材料构成的基座302或基座部302。基座部302包括形成于基座部302中的多个开口，例如开口310-1、...、310-5。每个开口310-1、...、310-5可以被构造为接纳相应的压电换能器308-1、...、308-5。开口301-1、...、310-5还可以被称为腔或槽。开口310-1、...、310-5可经由铣削或其它合适的方法形成。因而，每个开口310-1、...、310-5可以包括大于相关联的压电换能器的直径的第一直径D1。每个开口310-1、...、310-5可以进一步至少包括具有直径D1的上部或腔和具有第二直径D2的第二部/下部。第二直径D2可以被构造为基本上等于相应的压电换能器的直径。如图所示，压电换能器308-1、...、308-5中的每一者被布置在相关联的开口310-1、...、310-5的相应槽中，其中，每个压电换能器的顶面是可见的。在一些情况下，压电换能器308-1、...、308-5中的每个压电换能器通过使用例如粘合剂被固定在其相应的槽中。
图5是示例性的压电子阵列板113的剖视图。以已知的方式，每个压电子阵列板113可以被专门设计成基于物理特征和材料特征来发射特定谐振频率，该物理特征和材料特征例如是相关联的开口的直径(例如直径D1)、与每个压电换能器相邻的材料的厚度(例如，弯曲元件320的厚度T1)以及与每个压电换能器相邻的材料的杨氏模量。弯曲元件320可以由其它材料形成，并且不必限于金属或金属合金。
图6是示例性IMP 111的前视图。IMP 111可以由金属或金属合金例如通过使用蚀刻工艺(诸如光化学蚀刻)加工而成，该金属或金属合金例如被选择为提供热导率并充当压电换能器308-1、...、308-5的散热器。如图所示，IMP可以包括形成于IMP中的多个分离的具有多个孔604的区域602。还参考图8-图9，例如，当组装子阵列板113时，每个具有多个孔604的区域602定位成覆盖在开口310-1、...、310-5中的相关联的一个开口的相关联的一个弯曲元件320上。
图7是示例性IMP 111和垫片702的后视图。垫片702从IMP 111的底表面延伸并且包括与IMP 111中的具有多个孔604的区域602对应并且对准的开口704。垫片702可以与IMP111和/或子阵列板113一体地形成(例如，由相同材料加工而成)，或者可以是被构造成定位在IMP 111的底表面与子阵列板113的顶表面之间的单独部件。在一些实施例中，垫片702可以是与IMP 111分离的部件，并且可以通过使用例如粘合剂联接到IMP 111的底表面。在垫片702是与IMP 111分离的部件的实施例中，垫片可以通过使用印刷电路板制造技术(例如，蚀刻)来制造。垫片可以形成为包括金属材料(金属或金属合金)以提供从压电换能器308穿过子阵列板113和垫片702到IMP 111的热路径，从而允许IMP 111充当压电换能器308的散热器。
图8是子阵列109的剖视图；并且图9是子阵列109的剖视图，其包括垫片702的放大的相对尺寸以更清楚地示出由垫片702形成的气隙802。如图8和图9所示，在组装子阵列109时，垫片702的底表面与子阵列板113的顶表面接触，垫片702的顶表面与IMP 111的底表面接触。在一些实施例中，垫片702与IMP 111一体化并且从IMP 111的底表面延伸。
垫片702中的开口704与相关联的具有多个孔604的区域602对准并与和压电换能器308相关联的弯曲元件320对准，以在弯曲元件320与IMP 111中的相关联的具有多个孔604的区域602之间建立气隙802。在操作中，气隙802产生高压区域，导致在弯曲元件320上产生的负载比在没有垫片702的情况下会产生的负载更高。这种更高的负载提供了从压电换能器308到空气中的能量传递的效率的增大，从而导致更高的声压级。由压电换能器308产生的压力波传播通过孔604，使得每个孔604成为声辐射器。
符合本发明的UTD 100可以以各种配置来提供，并且不限于本文所示的特定配置。在符合本发明的一个实施例中，UTD 100可以包括六个子阵列109-1、...、109-6，例如，如图2所示。子阵列109-1、...、109-6可以被配置为分别以20KHz、26KHz、32KHz、38KHz、44KHz、50KHz的标称频率工作。用于所有各自的子阵列109-1、...、109-6的IMP 113-1、...、113-6可以在1.9mm的网格上包括直径为1mm的孔604。对于38KHz、44KHz和50KHz的子阵列，可使用0.064英寸厚的IMP 111建立30um的气隙802。对于26KHz和32KHz的子阵列，可使用0.115英寸厚的IMP 111建立30um的气隙802。对于20KHz的子阵列，可以使用0.115英寸厚的IMP 111来建立60um的气隙802。取决于应用，可以以符合本发明的方式来建立用于UTD的各种其它配置。例如，在一些实施例中，符合本发明的IMP可以包括非平面的顶表面。
在一些实施例中，具有相同或不同厚度的多个IMP可以叠置以建立用于阻抗匹配的IMP层叠体的期望的总厚度。另外地或可替选地，相同或不同厚度的多个垫片可以叠置以建立用于阻抗匹配的气隙的期望的总厚度。使用多个薄的IMP和/或垫片允许使用蚀刻技术(例如光刻)由各种材料精确加工IMP和垫片，同时成本低且产量高。
例如，图10是符合本发明的子阵列109a的一个实施例的分解图，子阵列109a包括两个IMP 111a、111b、垫片702a、子阵列板113和用于将IMP 111a、111b和垫片702a紧固到子阵列板113的紧固件115。IMP 111a、111b具有名义上相同的构造，因此它们可以叠置以提供期望的总厚度T(图11)。为了便于组装，IMP 111a、111b和垫片702a各自分别包括相关联的对准特征1002a、1002b和1002c。
图11和图12是图3中所示的子阵列109a的不同部分的剖视图。总体上，除了包括两个IMP 111a、111b而不是一个IMP 111以及添加了对准特征1002a、1002b、1002c之外，子阵列109a与图8和图9中所示的子阵列109相同。当组装子阵列109a时，垫片702a的底表面与子阵列板113的顶表面接触，垫片702a的顶表面与IMP 111a的底表面接触，IMP 111b的底表面与IMP 111a的顶表面接触。在一些实施例中，垫片702a与IMP 111a成一体并且从IMP 111a的底表面延伸。
IMP 111a、111b分别包括在其中形成的多个分离的具有多个孔604a的区域602a和多个分离的具有多个孔604b的区域602b。每个具有多个孔604a的区域602a和每个具有多个孔604b的区域602b被定位成覆盖相关联的一个弯曲元件320。当组装子阵列109a时，IMP111a、111b被叠置以使得IMP板111a中的孔604a与IMP板111b中的孔604b对准(例如，名义上同心)，如图11所示。垫片702a中的开口704与相关联的具有多个孔604a的区域602a和相关联的具有多个孔604b的区域602b对准并且与和压电换能器308相关联的弯曲元件320对准，以在弯曲元件320与IMP 111a的具有多个孔604a的区域602a之间建立气隙802。
在组装期间，IMP 111a中的孔604a、IMP 111b中的孔604b和垫片702a中的开口704的对准可以使用对准特征1002a、1002b和1002c完成。在所示的示例性实施例中，IMP 111a、IMP 111b和垫片702a均包括名义上相同的尺寸和形状的对准特征1002a、1002b和1002c。对准特征可以是有助于IMP 111a中的孔604a、IMP 111b中的孔604b和垫片702a中的开口704对准的任何特征，例如。凹口和/或突起。
在所示的示例性实施例中，对准特征1002a、1002b和1002c配置为形成在IMP111a、IMP 111b和垫片702a中的凹口。参考IMP板111b，在所示的示例性实施例中，对准特征1002a是由相对的侧表面1202、1204限定的V形凹口，该相对的侧表面1202、1204从IMP 111b的周界向内延伸并且在顶点1206处接合。子凹口1207形成于侧表面1204中。在所示示例中，子凹口1204是V形的，并且由从侧表面1204延伸并在子凹口顶点1212处接合的子凹口侧表面1208、1210限定。在组装期间，将IMP 111a、111b和垫片702a安装在子阵列板113上，而紧固件115是松弛的。将具有与对准特征1002a、1002b、1002c相同形状的工具(未示出)插入对准特征1002a、1002b、1002c中以对准IMP 111a、111b和垫片702a，并且在移除该工具之前，紧固紧固件115。
根据本发明的一方面，公开了一种声换能器设备，包括：板，该板包括位于该板中的多个开口；多个换能器元件，每个换能器元件联接至该多个开口中的相应的开口的弯曲元件；阻抗匹配板，该阻抗匹配板包括形成于该阻抗匹配板中的多个多孔区域，该多个多孔区域中的每一者定位在弯曲元件中的相关联的一个弯曲元件上方；以及垫片，该垫片设置在该板和该阻抗匹配板之间，该垫片包括位于该垫片中的多个开口，该多个开口中的每一者定位在该弯曲元件中的相关联的一个弯曲元件的上方，以在该弯曲元件中的该相关联的一个弯曲元件与该阻抗匹配板的多个多孔区域中的相关联的一个多孔区域之间建立气隙。在一些实施例中，该阻抗匹配板通过该垫片和该弯曲元件热耦合至该多个换能器元件以充当该多个换能器元件的散热器。
根据本发明的另一方面，提供了一种超声换能器设备(UTD)，包括联接到基座部的多个子阵列，该多个子阵列中的每一者与标称谐振频率相关联并且包括：子阵列板，该子阵列板包括位于该子阵列板中的多个开口；多个换能器元件，每一个换能器元件联接到该多个开口中的相应的开口的弯曲元件；阻抗匹配板，该阻抗匹配板包括形成于该阻抗匹配板中的多个多孔区域，该多个多孔区域中的每一者定位在该弯曲元件中的相关联的一个弯曲元件的上方；以及垫片，该垫片设置在该子阵列板与该阻抗匹配板之间，该垫片包括位于该垫片中的多个开口，该多个开口中的每一者定位在该弯曲元件中的相关联的一个弯曲元件上方，以在该弯曲元件中的该相关联的一个弯曲元件和该阻抗匹配板的该多个多孔区域中的相关联的一个多孔区域之间建立气隙。在一些实施例中，该阻抗匹配板通过该垫片和该弯曲元件热耦合至该多个换能器元件，以充当换能器元件的散热器。UTD还包括电联接至该多个子阵列中的每个子阵列的驱动电路，该驱动电路配置成基于与每一个子阵列相关联的标称谐振频率，使该多个子阵列中的每一者发射超声能量。
根据本发明的再一方面，提供了一种阻止野生动物进入区域的方法，包括提供联接到基座部的多个子阵列，该多个子阵列中的每一者与标称谐振频率相关联并且包括：子阵列板，该子阵列板包括位于该子阵列板中的多个开口；多个换能器元件，每一个换能器元件联接到该多个开口中的相应的开口的弯曲元件；阻抗匹配板，该阻抗匹配板包括形成于该阻抗匹配板中的多个多孔区域，该多个多孔区域中的每一者定位在该弯曲元件中的相关联的一个弯曲元件的上方；以及垫片，该垫片设置在该子阵列板与该阻抗匹配板之间，该垫片包括位于该垫片中的多个开口，该多个开口中的每一者定位在该弯曲元件中的相关联的一个弯曲元件上方，以在该弯曲元件中的该相关联的一个弯曲元件和该阻抗匹配板的该多个多孔区域中的相关联的一个多孔区域之间建立气隙。在一些实施例中，该阻抗匹配板可以通过该垫片和该弯曲元件热耦合至该多个换能器元件，以充当压电换能器元件的散热器。该方法还包括基于与每一者相关联的该标称谐振频率，驱动该多个子阵列以使该多个子阵列中的每一者发射超声能量。
根据本发明的又一方面，提供了一种声换能器设备，包括：板，该板包括位于该板中的多个开口；多个换能器元件，每个换能器元件联接到该多个开口中的相应的开口的弯曲元件；第一阻抗匹配板，该第一阻抗匹配板包括形成在该第一阻抗匹配板中的第一多个多孔区域，该第一多个多孔区域中的每一者定位在该弯曲元件中的相关联的一个弯曲元件上方；以及第二阻抗匹配板，该第二阻抗匹配板包括形成在该第二阻抗匹配板中的第二多个多孔区域，该第二多个多孔区域中的每一者与该第一多个多孔区域中的相关联的一个多孔区域对准；以及垫片，该垫片设置在该板与该阻抗匹配板之间，该垫片包括位于该垫片中的多个开口，该多个开口中的每一者定位在该弯曲元件中的相关联的一个弯曲元件上方，以在该弯曲元件中的该相关联的一个弯曲元件与该阻抗匹配板的该第一多个多孔区域中的相关联的一个多孔区域之间建立气隙。
可以使用处理器和/或其它可编程设备来实现本文描述的方法的实施例。为此，本文描述的方法可以在有形计算机可读介质上实现，该有形计算机可读介质上存储有指令，该指令在由一个或多个处理器执行时执行该方法。因此，例如，控制器104可以包括存储介质(未示出)以存储指令(例如以固件或软件形式)以执行本文描述的操作。存储介质可以包括任何类型的有形介质，例如，任何类型的磁盘，包括：软盘；光盘；光盘只读存储器(compact disk read-only memories，CD-ROM)；光盘可重写存储器(compact diskrewritables，CD-RW)和磁光盘；半导体设备，诸如只读存储器(read-only memories，ROM)，随机存取存储器(random access memories，RAM)(诸如动态RAM和静态RAM)、可擦可编程只读存储器(erasable programmable read-only memories，EPROM)、电可擦可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memories，EEPROM)、闪存、磁卡或光卡或适合存储电子指令的任何类型的介质。
通过附图描述和/或以其它方式描绘以与其它事物进行通信、与该其它事物相关联和/或基于该其它事物的元素、部件、模块和/或其部分，可以理解为以直接和/或间接方式，如此与该其它事务进行通信、与该其它事物相关联和/或基于该其它事物，除非本文另有规定。
在本发明的全部内容中，使用冠词“一”和/或“该”来修饰名词可以理解为为了方便起见并且包括一个或多于一个所修饰的名词，除非另有特别说明。术语“包括”，“包含”和“具有”旨在是包括性的，并且意味着除所列要素之外可能还有附加的要素。本文中所使用的术语“标称”或“名义上”在指代量时，意指可以与实际量不同的指定量或理论量。
本文使用的术语和表述用作描述性术语，而不是限制性术语，并且这些术语和表述的使用无意排除所示出和描述的特征(或其部分)的任何等同物，并且应当认识到，在权利要求书的范围内可以进行各种修改。同样，本文描述的任何实施例的特征可以与本文描述的任何其他实施例的特征组合或者被本文描述的任何其他实施例的特征取代。
尽管本文已经描述了本发明的原理，但是本领域技术人员将理解，该描述仅通过示例的方式进行，并且不作为对本发明的范围的限制。除了本文示出和描述的实施例之外，还可以设想到在本发明的范围内的其它实施例。本领域普通技术人员之一所进行的修改和替换被认为在本发明的范围内，本发明的范围仅由所附权利要求书所限制。
Claims (20)
1.一种声换能器设备，包括：
板，所述板包括位于所述板中的多个开口；
多个换能器元件，每个换能器元件联接至所述多个开口中的相应的开口的弯曲元件；
阻抗匹配板，所述阻抗匹配板包括形成于所述阻抗匹配板中的多个多孔区域，所述多个多孔区域中的每一者定位在所述弯曲元件中的相关联的一个弯曲元件上方；以及
垫片，所述垫片设置在所述板和所述阻抗匹配板之间，所述垫片包括位于所述垫片中的多个开口，所述多个开口中的每一者定位在所述弯曲元件中的相关联的一个弯曲元件的上方，以在所述弯曲元件中的所述相关联的一个弯曲元件与所述多个多孔区域中的相关联的一个多孔区域之间建立气隙，
所述阻抗匹配板通过所述垫片和所述弯曲元件热耦合至所述多个换能器元件以充当所述多个换能器元件的散热器。
2.根据权利要求1所述的声换能器设备，进一步包括第二阻抗匹配板，所述第二阻抗匹配板具有形成在所述第二阻抗匹配板中的第二多个多孔区域，所述第二多个多孔区域中的每一者与所述多个多孔区域中的相关联的一个多孔区域对准。
3.根据权利要求2所述的声换能器设备，其中，所述阻抗匹配板和所述第二阻抗匹配板均具有相关联的对准特征，所述相关联的对准特征用于将所述第二多个多孔区域与所述多个多孔区域中的相关联的多孔区域对准。
4.根据权利要求3所述的声换能器设备，其中，所述对准特征包括V形凹口，所述V形凹口由从所述阻抗匹配板和所述第二阻抗匹配板中的每一者的周界向内延伸并且在顶点处会合的侧表面限定。
5.根据权利要求4所述的声换能器设备，其中，所述侧表面中的一个侧表面包括V形子凹口，所述V形子凹口形成于所述一个侧表面中并且由子凹口侧表面限定，所述子凹口侧表面从所述侧表面中的所述一个侧表面向内延伸并且在子凹口顶点处会合。
6.根据权利要求1所述的声换能器设备，其中，所述垫片与所述板或所述阻抗匹配板一体地形成。
7.根据权利要求1所述的声换能器设备，其中，所述多个换能器元件是压电换能器元件。
8.一种阻止野生动物进入区域的方法，包括：
提供联接到基座部的多个子阵列，所述多个子阵列中的每一者与标称谐振频率相关联并且包括：
子阵列板，所述子阵列板包括位于所述子阵列板中的多个开口；
多个换能器元件，所述多个换能器元件中的每一者联接到所述多个开口中的相应的开口的弯曲元件；
阻抗匹配板，所述阻抗匹配板包括形成于所述阻抗匹配板中的多个多孔区域，所述多个多孔区域中的每一者定位在所述弯曲元件中的相关联的一个弯曲元件的上方；以及
垫片，所述垫片设置在所述子阵列板与所述阻抗匹配板之间，所述垫片包括位于所述垫片中的多个开口，所述多个开口中的每一者定位在所述弯曲元件中的相关联的一个弯曲元件上方，以在所述弯曲元件中的所述相关联的一个弯曲元件和所述多个多孔区域中的相关联的一个多孔区域之间建立气隙，
所述阻抗匹配板通过所述垫片和所述弯曲元件热耦合至所述多个换能器元件，以充当所述多个换能器元件的散热器；以及
基于与所述多个子阵列中的每一者相关联的所述标称谐振频率，驱动所述多个子阵列以使所述多个子阵列中的每一者发射超声能量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个子阵列中的每一者进一步包括第二阻抗匹配板，所述第二阻抗匹配板具有形成在所述第二阻抗匹配板中的第二多个多孔区域，所述第二多个多孔区域中的每一者与所述多个多孔区域中的相关联的一个多孔区域对准。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述阻抗匹配板和所述第二阻抗匹配板均具有相关联的对准特征，所述对准特征用于将所述第二多个多孔区域与所述多个多孔区域中的相关联的多孔区域对准。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述对准特征包括V形凹口，所述V形凹口由从所述阻抗匹配板和所述第二阻抗匹配板中的每一者的周界向内延伸并且在顶点处会合的侧表面限定。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述侧表面中的一个侧表面包括V形子凹口，所述V形子凹口形成于所述一个侧表面中并且由子凹口侧表面限定，所述子凹口侧表面从所述侧表面中的所述一个侧表面向内延伸并且在子凹口顶点处会合。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述垫片与所述子阵列板或所述阻抗匹配板一体地形成。
14.一种声换能器设备，包括：
板，所述板包括位于所述板中的多个开口；
多个换能器元件，每个换能器元件联接到所述多个开口中的相应的开口的弯曲元件；
第一阻抗匹配板，所述第一阻抗匹配板包括形成在所述第一阻抗匹配板中的第一多个多孔区域，所述第一多个多孔区域中的每一者定位在所述弯曲元件中的相关联的一个弯曲元件上方；以及
第二阻抗匹配板，所述第二阻抗匹配板包括形成在所述第二阻抗匹配板中的第二多个多孔区域，所述第二多个多孔区域中的每一者与所述第一多个多孔区域中的相关联的一个多孔区域对准；以及
垫片，所述垫片设置在所述板与所述阻抗匹配板之间，所述垫片包括位于所述垫片中的多个开口，所述多个开口中的每一者定位在所述弯曲元件中的相关联的一个弯曲元件上方，以在所述弯曲元件中的所述相关联的一个弯曲元件与所述第一多个多孔区域中的相关联的一个多孔区域之间建立气隙。
15.根据权利要求14所述的声换能器设备，其中，所述阻抗匹配板和所述第二阻抗匹配板均具有相关联的对准特征，所述对准特征用于将所述第二多个多孔区域与所述多个多孔区域中的相关联的多孔区域对准。
16.根据权利要求15所述的声换能器设备，其中，所述对准特征包括V形凹口，所述V形凹口由从所述阻抗匹配板和所述第二阻抗匹配板中的每一者的周界向内延伸并且在顶点处会合的侧表面限定。
17.根据权利要求16所述的声换能器设备，其中，所述侧表面中的一个侧表面包括V形子凹口，所述V形子凹口形成于所述一个侧表面中并且由子凹口侧表面限定，所述子凹口侧表面从所述侧表面中的所述一个侧表面向内延伸并且在子凹口顶点处会合。
18.根据权利要求14所述的声换能器设备，其中，所述第一阻抗匹配板通过所述垫片和所述弯曲元件热耦合至所述多个换能器元件，以充当所述多个换能器元件的散热器。
19.根据权利要求14所述的声换能器设备，其中，所述垫片与所述板或所述阻抗匹配板一体地形成。
20.根据权利要求14所述的声换能器设备，其中，所述多个换能器元件是压电换能器元件。
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