CN112827787B - 超声波换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超声波换能器，超声波换能器包括多个超声波产生单元，多个超声波产生单元中的至少两个超声波产生单元的谐振频率相异。相比只有单个谐振频率的超声波换能器，本发明提供的超声波换能器作为产生单元，多个谐振频率相异的产生单元发出的超声波相互叠加所得到的超声波信号，可以在较宽的一段频率范围保持较为稳定。作为接收单元，多个谐振频率相异的接收单元感应超声波得到的电压信号，可以在较宽的一端频率范围保持较为稳定，从而具有更广泛的带宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波换能器，具体来讲，涉及一种宽带超声波换能器。
背景技术
目前超声波换能器主要是谐振式的单频点换能器，这类换能器通常只工作在单一频点，例如40kHz，这是由于这类超声波换能器只有一个发射/接收单元，发射/接收信号在偏离对应谐振后快速降低。一般来说，标准工作频率为40kHz的超声波换能器，发射45kHz信号，声压值比40kHz处声压值可降低30dB，接收信号存在类似影响。
这会带来一致性较差的问题与收发一体的超声波换能器无法发挥最优性能的问题。一致性较差主要因为除了产品在本身的谐振处的发射声压/接收灵敏度以外，谐振频率的一致性将额外引起发射声压/接收灵敏度的一致性变化。对于收发一体的超声波换能器，发射与接收单元是同一个，对于同一个单元，发射与接收的峰值并不在同一频点，一般有2kHz左右的频率偏移，这就意味着不能选择发射和接收都好的频点作为工作频点。
另一方面，随着超声波换能器应用的拓展，单一的频点的工作模式不能满足使用需求，需要超声波换能器在一定带宽内提供较为良好的发射/接收信号，传统单频点超声波换能器显然不能满足这一要求。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种在一定带宽内提供较为良好的发射/接收信号宽带超声波换能器。
为实现上述目的，本发明提出一种超声波换能器，其特征在于，所述超声波换能器包括多个超声波产生单元，多个所述超声波产生单元中的至少两个所述超声波产生单元的谐振频率相异。
在一实施例中，多个所述超声波产生单元的谐振频率平均值为Fe，至少两个所述超声波产生单元之间的谐振频率差值Fc的最大值小于等于20％Fe；
或者，至少两个所述超声波产生单元之间的谐振频率差值小于等于5kHz；在一实施例中，各所述超声波产生单元分别包括中框和压电片，所述中框上开设有通孔，所述压电片与所述中框呈层叠贴合设置，且所述压电片覆盖于所述通孔的至少一端；
其中，多个所述超声波产生单元中，至少两个所述超声波产生单元的所述通孔的尺寸相异；和/或，
多个所述超声波产生单元中，至少两个所述超声波产生单元的所述压电片厚度相异；和/或，
多个所述超声波产生单元中，至少两个所述超声波产生单元的所述中框与所述压电片的粘贴情况相异。
在一实施例中，各所述超声波产生单元分别包括所述中框和两片所述压电片，两片所述压电片分别与所述中框的两侧贴合，两片所述压电片的振动方向相反，且分别覆盖所述通孔的两端。
在一实施例中，各所述超声波产生单元分别包括所述中框、一片所述压电片和一片闭合片，所述压电片和所述闭合片分别与所述中框的两侧贴合，且分别覆盖所述通孔的两端。
在一实施例中，所述中框与所述闭合片一体设置。
在一实施例中，所述超声波换能器包括壳体，所述壳体内形成有空腔，所述壳体上开设有与所述空腔连通的音孔，多个所述超声波产生单元设于所述空腔内，各所述超声波产生单元分别包括所述中框和所述压电片，所述压电片贴合于所述中框的一侧，且覆盖所述通孔的一端，所述中框的另一侧贴合于所述壳体的内壁。
在一实施例中，所述中框的材质为陶瓷、玻璃、单晶硅、多晶硅、氧化硅、环氧树脂或纤维增强型环氧树脂复合材料。
在一实施例中，多个所述超声波产生单元中的多个所述中框一体成型；和/或，
多个所述超声波产生单元一侧的多个所述压电片一体成型。
在一实施例中，多个所述超声波产生单元在长度或宽度方向上依次排布，以成列设置。
在一实施例中，一列所述超声波产生单元的数目大于等于三个，且多个所述超声波产生单元的谐振频率各不相同。
在一实施例中，多个所述超声波产生单元中，谐振频率大小相邻的两个所述超声波产生单元间隔设置。
在一实施例中，多个所述超声波产生单元包括谐振频率依次增大的第一超声波产生单元、第二超声波产生单元、第三超声波产生单元、第四超声波产生单元和第五超声波产生单元，多个所述超声波产生单元在长度或宽度方向上按照第四超声波产生单元、第一超声波产生单元、第三超声波产生单元、第五超声波产生单元及第二超声波产生单元的顺序依次排布。
在一实施例中，所述超声波产生单元的数目大于等于四个，谐振频率最小的两个所述超声波产生单元之间的谐振频率为F1，谐振频率最大的两个所述超声波产生单元的谐振频率差值为F2，其他任意两个所述超声波产生单元之间的谐振频率差值为F3，其中F3＞F2≥F1。
本发明提供的超声波换能器包括多个超声波产生单元，多个超声波产生单元中的至少两个超声波产生单元的谐振频率相异。相比只有单个谐振频率的超声波换能器，本发明提供的超声波换能器作为产生单元，多个谐振频率相异的产生单元发出的超声波相互叠加所得到的超声波信号，可以在较宽的一段频率范围保持较为稳定。作为接收单元，多个谐振频率相异的接收单元感应超声波得到的电压信号，可以在较宽的一段频率范围保持较为稳定，从而具有更广泛的带宽。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的超声波换能器一实施例的立体结构示意图；
图2为图1中超声波换能器A-A处的剖视图；
图3为图1中超声波换能器第一实施例的B-B处的剖视图；
图4为图1中超声波换能器第二实施例的B-B处的剖视图；
图5为图1中超声波换能器第三实施例的B-B处的剖视图；
图6为图1中超声波产生单元一实施例的立体结构分解示意图；
图7为图1中超声波产生单元另一实施例的立体结构分解示意图；
图8为单个超声波产生单元的频率响应图；
图9为发明提供的超声波换能器一实施例的频率响应图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 100 | 超声波换能器 | 13 | 闭合片 |
| 10 | 超声波产生单元 | 20 | 壳体 |
| 11 | 中框 | 21 | 内壁 |
| 110 | 通孔 | 30 | 空腔 |
| 12 | 压电片 | 31 | 音孔 |
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参阅图1至图3，本发明提出一种超声波换能器100，包括超声波产生单元10和壳体20两大部分，如图1所示。超声波产生单元10可以将电信号转化为超声波信号向外发射，或者将接收到的超声波信号转化为电信号。壳体20收容超声波产生单元10，并通过设于壳体20上的音孔31接收或发出超声波信号。超声波换能器100包括多个超声波产生单元10，多个所述超声波产生单元10中的至少两个所述超声波产生单元10的谐振频率相异。
本实施例提供的超声波换能器100相比只有单个谐振频率的超声波换能器，本实施例中的超声波换能器100作为产生单元，多个谐振频率相异的产生单元发出的超声波相互叠加所得到的超声波信号，可以在较宽的一段频率范围保持较为稳定。作为接收单元，多个谐振频率相异的接收单元感应超声波得到的电压信号可以在较宽的一端频率范围保持较为稳定，从而具有更广泛的带宽。传统的超声波换能器通常只有单个超声波产生单元10，图8示出了单个超声波产生单元10的频率响应图，图中横坐标表示超声波信号的频率，纵坐标表示超声波信号的声压值，从图8中可以看出单个超声波产生单元10谐振频率附近声压值最高，远离谐振频率，声压值快速下降，偏离5kHz，声压值可以下降20～30dB。而本实施例提供的超声波换能器100由于具有多个谐振频率，从而在更大的频率范围内具有较大的声压值，从而具有更广泛的带宽。
在上一实施例的基础上，多个所述超声波产生单元的谐振频率平均值为Fe，至少两个所述超声波产生单元之间的谐振频率差值Fc的最大值小于等于20％Fe。本领域技术人员可以理解，至少两个超声波单元的谐振频率只要相异，就能具有相比谐振频率单一的超声波换能器100更广泛的带宽。但是，若两个超声波产生单元10之间的谐振频率相差较大，当超声波信号的频率处于其中一个超声波产生单元10的谐振频率范围内时，该超声波产生单元10的产生的声压较大，另一超声波产生单元10产生的声压较小。但是若两个超声波产生单元10之间的谐振频率差值Fc较小时，例如小于等于谐振频率平均值为Fe的20％，请参阅图9，当超声波信号的频率处于其中一个超声波产生单元10的谐振频率范围内时，该超声波产生单元10的产生的声压较大，另一超声波产生单元10产生的声压也较大，如此能够在两个超声波产生单元10之间起到更好的信号叠加作用，获得更好的换能效果，并且声压值在更广泛的带宽内保持稳定。
在另一实施例中，至少两个所述超声波产生单元10之间的谐振频率差值小于等于5kHz。例如，对于谐振频率平均值小于100kHz的多个超声波产生单元10，两个超声波产生单元10之间的谐振频率差值最好小于等于5kHz，请参阅图9，当超声波信号的频率处于其中一个超声波产生单元10的谐振频率范围内时，该超声波产生单元10的产生的声压较大，另一超声波产生单元10产生的声压也较大，如此能够在两个超声波产生单元10之间起到更好的信号叠加作用，获得更好的换能效果，并且声压值在更广泛的带宽内保持稳定。
每一超声波产生单元10的具体形式可以有多种，只要能够实现至少两个超声波产生单元10的谐振频率相异的结构即可。在本实施例中，请参阅图3至图6，各所述超声波产生单元10分别包括中框11和压电片12，所述中框11上开设有通孔110，所述压电片12与所述中框11呈层叠贴合设置，且所述压电片12覆盖于所述通孔110的至少一端。在本实施例中，压电片12可以选择锆钛酸铅PZT、钛酸钡BT、、氧化铝ANN、铌酸钾钠KNN等压电材料，也可以选择例如电致伸缩材料等在电信号驱动下可以产生伸缩振动的材料。压电片12具体地可以选择面积范围在1至100mm2，厚度范围在0.001至0.5mm的平板压电陶瓷片，其形状可以是正方形、长方形、圆形、多边形等。压电片12通过胶合的方式与中框11固定在一起。中框11为外轮廓与压电片12接近或相等的平板，中间开设有通孔110。通孔110区域处压电片12未被固定，可进行弯曲振动，即压电片12在对应的通孔110区域形成自由区。通孔110形状可以是圆形、椭圆形、多边形等。中框11材料可以选择强度高的材料，例如陶瓷、玻璃、环氧板、单晶硅、多晶硅或氧化硅等。
在其他实施例中，压电片12可以使用与基底复合的压电薄膜取代压电陶瓷材料作为压电片，压电薄膜的制备方法可以是溶胶-凝胶法(sol-gel)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光法(PLD)、溅射法(Sputtering)等。压电薄膜材料可以是锆钛酸铅PZT、钛酸钡BT、铌酸钾钠KNN、氮化铝AlN等。压电薄膜厚度范围为0.5～5μm。可以理解，在本实施例中，中框11的材质及结构应与压电薄膜式压电片配合设计。
本领域技术人员可以理解，自由区的范围越大，超声波产生单元10对应的谐振频率越高，自由区的范围越小,谐振频率越低。因此，可以通过调节通孔110的尺寸形状，达到调节超声波产生单元10谐振频率的目的。因此，在一实施例中，至少两个所述超声波产生单元10的所述通孔110的尺寸相异，以使得这两个超声波产生单元10的谐振频率相异。
在另一实施例中，多个所述超声波产生单元10中，至少两个所述超声波产生单元10的所述压电片12厚度相异。本领域技术人员可以理解，谐振频率的大小也与压电片12的厚度相关，压电片12的厚度增大，谐振频率偏低，压电片12的厚度减小，谐振频率偏高，如此，通过调整压电片12的厚度，也能够实现调节超声波产生单元10的谐振频率。
而在又一实施例中，多个所述超声波产生单元10中，至少两个所述超声波产生单元10的所述中框11与所述压电片12的粘贴情况相异。本领域技术人员可以理解，谐振频率的大小还与压电片12与中框11的粘贴情况相关。压电片12与中框11的粘贴情况与两者之间的粘贴面积、粘贴强度有关，可以理解，当压电片12与中框11之间粘贴强度增强、粘贴面积增大，压电片12对应的自由区就越小，谐振频率越低，反之，自由区越大，谐振频率越高。如此，还能够通过调节中框11与压电片12之间的粘贴情况实现对超声波产生单元10谐振频率的调节。可以理解，在一个超声波换能器100内，上述三种调节谐振频率的方式可以择一或者结合实施。
压电片12具体的结构可以有多种。在第一实施例中，请参阅图3，各所述超声波产生单元10分别包括所述中框11和两片所述压电片12，两片所述压电片12分别与所述中框11的两侧贴合，两片所述压电片12的振动方向相反，且分别覆盖所述通孔110的两端。可以通过设置压电片12的极化方向和电场方向实现两片压电片12的振动方向相反。在第二实施例中，请参阅图4和图5，各所述超声波产生单元10分别包括所述中框11、一片所述压电片12和一片闭合片13，所述压电片12和所述闭合片13分别与所述中框11的两侧贴合，且分别覆盖所述通孔110的两端，其中，最好所述中框11与所述闭合片13一体设置。如此，都能够构成超声波产生单元10，并且都可以通过调节通孔110尺寸、调节压电片12厚度、和/或所述中框11与所述压电片12的粘贴情况实现对各超声波产生单元10谐振频率的调节。
在第三实施例中，超声波换能器100包括壳体20，所述壳体20内形成有空腔30，所述壳体20上开设有与所述空腔30连通的音孔31，多个所述超声波产生单元10设于所述空腔30内，各所述超声波产生单元10分别包括所述中框11和所述压电片12，所述压电片12贴合于所述中框11的一侧，且覆盖所述通孔110的一端，所述中框11的另一侧贴合于所述壳体20的内壁21。如此，能够在省去闭合片13的情况下构成超声波产生单元10，生产成本更低，并且也能够通过调节通孔110尺寸、调节压电片12厚度、和/或所述中框11与所述压电片12的粘贴情况实现对各超声波产生单元10谐振频率的调节。
在上述实施例中，所述中框11的材质为陶瓷、玻璃、单晶硅、多晶硅或氧化硅等环氧树脂或纤维增强型环氧树脂复合材料等刚度较强的材质。
多个谐振频率相异的超声波产生单元10可以按照一字型紧密排列，也可以按照保留一定间隙排列。择优的，为了简化装配工艺，提高组装一致性，可以将多个所述超声波产生单元10中的多个所述中框11一体成型，和/或，将多个所述超声波产生单元10一侧的多个所述压电片12一体成型。
在一实施例中，请参阅图2和图7，多个所述超声波产生单元10在长度或宽度方向上依次排布，以成列设置。当然，可以设置为一列或者多列。如此，具有结构简单、便于组装的优点。
进一步地，一列所述超声波产生单元10的数目大于等于三个，且多个所述超声波产生单元10的谐振频率各不相同。如此，通过调控超声波产生单元10的谐振频率，可以使超声波产生单元10在较宽的频率范围发射声压值较为稳定的超声波。为了提高超声波换能器100发射声压各个位置的均衡性，可以合理调整不同谐振频率单元的排列位置，最好，多个所述超声波产生单元10中，谐振频率大小相邻的两个所述超声波产生单元10间隔设置。如此，谐振频率最为接近的两个超声波产生单元10中间总是隔着一个或多个谐振频率较两者偏大或偏小的超声波产生单元10，使得谐振频率大小相邻的两个所述超声波产生单元10无法紧邻设置，从而使得超声波换能器100整体的均衡性更好。
以五个超声波产生单元10为例，五所述超声波产生单元10包括谐振频率依次增大的第一超声波产生单元10、第二超声波产生单元10、第三超声波产生单元10、第四超声波产生单元10和第五超声波产生单元10，多个所述超声波产生单元10在长度或宽度方向上按照第四超声波产生单元10、第一超声波产生单元10、第三超声波产生单元10、第五超声波产生单元10及第二超声波产生单元10的顺序依次排布。如此，频率大小紧邻的超声波产生单元10被分隔设置，使得超声波换能器100整体的均衡性更佳。
优选，可以按照超声波产生单元10总声压的平坦度需求，调整各超声波产生单元10的谐振频率分布。例如，在一实施例中，所述超声波产生单元10的数目大于等于四个，谐振频率最小的两个所述超声波产生单元10之间的谐振频率为F1，谐振频率最大的两个所述超声波产生单元10的谐振频率差值为F2，其他任意两个所述超声波产生单元10之间的谐振频率差值为F3，其中F3＞F2≥F1。如此，通过调整多个超声波产生单元10的频率分布，使得超声波换能器100总声压的平坦度更好。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (13)
1.一种超声波换能器，其特征在于，所述超声波换能器包括多个超声波产生单元，多个所述超声波产生单元中的至少两个所述超声波产生单元的谐振频率相异，多个谐振频率相异的所述超声波产生单元发出的超声波相互叠加，所述超声波产生单元的数目大于等于三个，多个所述超声波产生单元中，谐振频率大小相邻的两个所述超声波产生单元间隔设置。
2.如权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于，多个所述超声波产生单元的谐振频率平均值为Fe，至少两个所述超声波产生单元之间的谐振频率差值Fc的最大值小于等于20％Fe；
或者，至少两个所述超声波产生单元之间的谐振频率差值小于等于5kHz。
3.如权利要求2所述的超声波换能器，其特征在于，各所述超声波产生单元分别包括中框和压电片，所述中框上开设有通孔，所述压电片与所述中框呈层叠贴合设置，且所述压电片覆盖于所述通孔的至少一端；
其中，多个所述超声波产生单元中，至少两个所述超声波产生单元的所述通孔的尺寸相异；和/或，
多个所述超声波产生单元中，至少两个所述超声波产生单元的所述压电片厚度相异；和/或，
多个所述超声波产生单元中，至少两个所述超声波产生单元的所述中框与所述压电片的粘贴情况相异。
4.如权利要求3所述的超声波换能器，其特征在于，各所述超声波产生单元分别包括所述中框和两片所述压电片，两片所述压电片分别与所述中框的两侧贴合，两片所述压电片的振动方向相反，且分别覆盖所述通孔的两端。
5.如权利要求3所述的超声波换能器，其特征在于，各所述超声波产生单元分别包括所述中框、一片所述压电片和一片闭合片，所述压电片和所述闭合片分别与所述中框的两侧贴合，且分别覆盖所述通孔的两端。
6.如权利要求5所述的超声波换能器，其特征在于，所述中框与所述闭合片一体设置。
7.如权利要求3所述的超声波换能器，其特征在于，所述超声波换能器包括壳体，所述壳体内形成有空腔，所述壳体上开设有与所述空腔连通的音孔，多个所述超声波产生单元设于所述空腔内，各所述超声波产生单元分别包括所述中框和所述压电片，所述压电片贴合于所述中框的一侧，且覆盖所述通孔的一端，所述中框的另一侧贴合于所述壳体的内壁。
8.如权利要求3至7中任一项所述的超声波换能器，其特征在于，所述中框的材质为陶瓷、玻璃、单晶硅、多晶硅、氧化硅、环氧树脂或纤维增强型环氧树脂复合材料。
9.如权利要求3至7中任意一项所述的超声波换能器，其特征在于，多个所述超声波产生单元中的多个所述中框一体成型；和/或，
多个所述超声波产生单元一侧的多个所述压电片一体成型。
10.如权利要求3至7中任意一项所述的超声波换能器，其特征在于，多个所述超声波产生单元在长度或宽度方向上依次排布，以成列设置。
11.如权利要求10所述的超声波换能器，其特征在于，一列所述超声波产生单元的数目大于等于三个，且多个所述超声波产生单元的谐振频率各不相同。
12.如权利要求11所述的超声波换能器，其特征在于，多个所述超声波产生单元包括谐振频率依次增大的第一超声波产生单元、第二超声波产生单元、第三超声波产生单元、第四超声波产生单元和第五超声波产生单元，多个所述超声波产生单元在长度或宽度方向上按照第四超声波产生单元、第一超声波产生单元、第三超声波产生单元、第五超声波产生单元及第二超声波产生单元的顺序依次排布。
13.如权利要求11所述的超声波换能器，其特征在于，所述超声波产生单元的数目大于等于四个，谐振频率最小的两个所述超声波产生单元之间的谐振频率为F1，谐振频率最大的两个所述超声波产生单元的谐振频率差值为F2，其他任意两个所述超声波产生单元之间的谐振频率差值为F3，其中F3＞F2≥F1。
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