CN116213231B - 一种具有多电极的超声换能器驱动控制方法及超声换能器 - Google Patents
一种具有多电极的超声换能器驱动控制方法及超声换能器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有多电极的超声换能器驱动控制方法及超声换能器,方法包括以下步骤:S1、启动超声换能器;其中,所述超声换能器包括依次连接的纯电极层、纯压电层和复合电极层,所述复合电极层设置有若干电极,每个电极均与纯压电层连接,相邻的电极之间设置有绝缘极;S2、通过实现复合电极层中各电极相互引起的压电振动波相互干涉,控制超声换能器发射超声波的最大位移振幅,完成超声换能器驱动控制。本发明提供的超声换能器驱动控制方法使多电极超声换能器具有极低的电功耗,实现了超声波的节能应用,超声换能器在相同幅值激励电压下,本发明的超声换能器驱动控制方法使多电极超声换能器显著提高了声输出功率。
Description
技术领域
本发明属于超声波换能器领域,具体涉及一种具有多电极的超声换能器驱动控制方法及超声换能器。
背景技术
超声换能器是产生超声波的核心部件,其主要利用了压电材料的逆压电效应,完成激励信号电能与超声波机械能之间的转换工作。传统应用的换能器部件由压电材料,通过机械加工、研磨、热处理、极化等工艺制作成各种形状,压电材料两面采用涂抹电极层,形成纯电极层-压电层-纯电极层的结构,当在两个电极层上施加交流电信号进行激励,中间压电层的厚度方向就会因压电材料的逆压电效应而出现拉伸和收缩的现象,这种拉伸和收缩的位移变化量就是形成超声波的初始源,当换能器周围存在可以传播超声波的介质,从换能器表面就会向外发射出超声波。
这种传统的纯电极层-压电层-纯电极层换能器结构不利于低功耗工作,当需要产生较高强度的超声波时,需要增大压电层的发射面积或者提高两个电极层之间激励电信号的幅值。增大发射面积会增加换能器成本,特别在空间受限的应用场景中无法满足使用需求,提高两个电极层之间激励电信号的幅值会显著增加系统能耗,会显著增加换能器的发热量,降低了换能器的使用寿命。
现有技术在传统的纯电极层-压电层-纯电极层换能器结构基础上进行了创新改进,实现了类似纯电极层-压电层-纯电极层-中性层-纯电极层-压电层-纯电极层…的多压电层结构,形成多电极多压电层激励结构的换能器,这种结构有利于提高换能器的超声波输出声功率,但是付出的代价是提高了能耗,这种多电极多压电层结构的换能器在参数性能上形成了一种传统换能器参数性能的简单叠加,对真正降低换能器功耗、提高换能器的超声波输出声功率没有解决本质问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足,本发明提供的一种具有多电极的超声换能器驱动控制方法及超声换能器解决了现有换能器电功耗高、输出声功率低的问题。
为了达到上述发明目的,本发明采用的技术方案为:一种具有多电极的超声换能器驱动控制方法,包括以下步骤:
S1、启动超声换能器;
其中,所述超声换能器包括依次连接的纯电极层、纯压电层和复合电极层,所述复合电极层设置有若干电极,每个电极均与纯压电层连接,相邻的电极之间设置有绝缘极;
S2、通过实现复合电极层中各电极相互引起的压电振动波相互干涉,控制超声换能器发射超声波的最大位移振幅,完成超声换能器驱动控制。
进一步地:所述S1具体为:通过差分信号或单端信号启动超声换能器;
其中,通过差分信号启动超声换能器的方法具体为:
将纯电极层接电系统的公共端,复合电极层中电极均接入对应的差分信号端口信号线,且相邻差分信号端口信号线输出的电信号极性相反;
通过单端信号启动超声换能器的方法具体为:
将纯电极层接电系统的公共端,复合电极层中电极均接入对应的单端信号端口信号线,且相邻单端信号端口信号线输出的电信号极性相同。
进一步地:所述S2中,实现复合电极层中各电极引起的压电振动波相互干涉的方法具体为:相长干涉或相消干涉的方法。
进一步地:所述相长干涉的方法具体为:控制复合电极层中任意两电极之间的中心距尺寸为第一设定值,所述第一设定值S1的表达式具体为:
S1=n*(λ/2)=(n*C)/(2*ƒ)
式中,n为第一阈值,当启动超声换能器的信号为差分信号时,第一阈值为奇数,当启动超声换能器的信号为单端信号时,第一阈值为偶数,λ为纯压电层中压电振动波的波长,且λ=C/ƒ,C为纯压电层中压电振动波横向传播速度,ƒ为输入电极的激励驱动信号频率。
上述进一步方案的有益效果为:通过控制复合电极层中电极之间的压电振动波相长干涉就可以控制换能器声功率输出的增强,依据该原理,超声换能器在相同幅值激励电压下,本发明涉及的工作原理驱动控制方法使多电极超声换能器显著提高了声输出功率。
进一步地:所述相消干涉的方法具体为:控制复合电极层中任意两电极之间的中心距尺寸为第二设定值,所述第二设定值S2的表达式具体为:
S2=m*(λ/2)=(m*C)/(2*ƒ)
式中,m为第二阈值,当启动超声换能器的信号为差分信号时,所述第二阈值为偶数,当启动超声换能器的信号为单端信号时,所述第二阈值为奇数,λ为纯压电层中压电振动波的波长,且λ=C/ƒ,C为纯压电层中压电振动波横向传播速度,ƒ为输入电极的激励驱动信号频率。
上述进一步方案的有益效果为:依据第一设定值或第二设定值的表达式将两个或多个电极之间的中心距尺寸确定好,就可以实现复合电极层中任意电极之间的压电振动波相互可控干涉,达到了对换能器声功率输出的精准控制,既可以高分辨率增加输出声功率,又可以高分辨率减弱输出声功率,具有很大的产业价值。
进一步地:所述S2中,超声换能器发射超声波时的最大位移振幅A的表达式具体为:
A=B*C
式中,B为单电极上电压幅值产生的位移振幅,C为电极数。
上述进一步方案的有益效果为:根据超声换能器发射超声波时的最大位移振幅A的表达式可知,在复合电极层中电极上使用较低电压幅值的基础上,加大电极数,来显著提高压电层的最大位移振幅,使多电极超声换能器具有极低的电功耗,实现了超声波的低能耗应用。
一种超声换能器,所述超声换能器包括由上到下依次设置的纯电极层、纯压电层和第一复合电极层,所述第一复合电极层包括由左至右依次设置的第一电极、第一绝缘极、第二电极、第二绝缘极、第三电极、第三绝缘极和第四电极。
进一步地:所述纯电极层具体为第五电极或第二复合电极层,所述第五电极的材料为导电材料;
所述纯压电层具体为压电薄膜,所述压电薄膜的材料为具有压电效应的材料。
进一步地:所述第一复合电极层中的第一电极、第一绝缘极、第二电极、第二绝缘极、第三电极、第三绝缘极和第四电极组成的排列结构形状为从左至右依次排列的矩形形状、从内向外依次排列的圆环形形状或从内向外依次排列的方环形形状。
本发明的有益效果为:
(1)本发明提供的超声换能器驱动控制方法使多电极超声换能器具有极低的电功耗,实现了超声波的节能应用,超声换能器在相同幅值激励电压下,本发明的超声换能器驱动控制方法使多电极超声换能器显著提高了声输出功率。
(2)本发明的超声换能器驱动控制方法使换能器声功率输出可以精准控制,既可以高分辨率增加输出声功率,又可以高分辨率减弱输出声功率,在超高精度超声波应用领域具有很大的价值。
(3)本发明的超声换能器驱动控制方法可以实现将简单的传统超声换能器转换成相控阵换能器,大大地简化了相控阵换能器复杂制备工艺,在经济效能成本上也有很好的优势,同时具有了相控阵换能器独有的参数性能优势。
附图说明
图1为本发明的一种具有多电极的超声换能器驱动控制方法流程图。
图2为本发明的超声换能器结构示意图。
图3为本发明矩形形状的复合电极层俯视图。
图4为本发明圆环形形状的复合电极层俯视图。
图5为本发明方环形形状的复合电极层俯视图。
其中:1、第五电极;2、压电薄膜;3、第四电极;4、第三绝缘极;5、第三电极;6、第二绝缘极;7、第二电极;8、第一绝缘极;9、第一电极;10、第一复合电极层;11、纯压电层;12、纯电极层。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示,在本发明的一个实施例中,一种具有多电极的超声换能器驱动控制方法,包括以下步骤:
S1、启动超声换能器;
其中,所述超声换能器包括依次连接的纯电极层、纯压电层和复合电极层,所述复合电极层设置有若干电极,每个电极均与纯压电层连接,相邻的电极之间设置有绝缘极;
S2、通过实现复合电极层中各电极相互引起的压电振动波相互干涉,控制超声换能器发射超声波的最大位移振幅,完成超声换能器驱动控制。
所述S1具体为:通过差分信号或单端信号启动超声换能器;
其中,通过差分信号启动超声换能器的方法具体为:
将纯电极层接电系统的公共端,复合电极层中电极均接入对应的差分信号端口信号线,且相邻差分信号端口信号线输出的电信号极性相反;
通过单端信号启动超声换能器的方法具体为:
将纯电极层接电系统的公共端,复合电极层中电极均接入对应的单端信号端口信号线,且相邻单端信号端口信号线输出的电信号极性相同。
在本实施例中,每个差分信号端口信号线输出的电压幅值可以不相同,但需要保证复合电极层中相邻电极所接收的电信号的极性相反。
所述S2中,实现复合电极层中各电极引起的压电振动波相互干涉的方法具体为:相长干涉或相消干涉的方法。
所述相长干涉的方法具体为:控制复合电极层中任意两电极之间的中心距尺寸为第一设定值,所述第一设定值S1的表达式具体为:
S1=n*(λ/2)=(n*C)/(2*ƒ)
式中,n为第一阈值,当启动超声换能器的信号为差分信号时,第一阈值为奇数,当启动超声换能器的信号为单端信号时,第一阈值为偶数,λ为纯压电层中压电振动波的波长,且λ=C/ƒ,C为纯压电层中压电振动波横向传播速度,ƒ为输入电极的激励驱动信号频率。
所述相消干涉的方法具体为:控制复合电极层中任意两电极之间的中心距尺寸为第二设定值,所述第二设定值S2的表达式具体为:
S2=m*(λ/2)=(m*C)/(2*ƒ)
式中,m为第二阈值,当启动超声换能器的信号为差分信号时,所述第二阈值为偶数,当启动超声换能器的信号为单端信号时,所述第二阈值为奇数,λ为纯压电层中压电振动波的波长,且λ=C/ƒ,C为纯压电层中压电振动波横向传播速度,ƒ为输入电极的激励驱动信号频率。
所述S2中,超声换能器发射超声波时的最大位移振幅A的表达式具体为:
A=B*C
式中,B为单电极上电压幅值产生的位移振幅,C为电极数。
由上式可知,要实现换能器发射超声波时较大的位移振幅,可以在复合电极层中单电极上使用低电压幅值的基础上,加大单电极数,从而实现了本发明带来的两个突出的核心优势:低功耗驱动和高声功率输出,两个突出的核心优势均由换能器发射超声波时的最大位移振幅决定,而最大位移振幅A的表达式成立具有一定的核心先决条件,否则换能器实际的最大位移振幅要小于理论计算出来的最大位移振幅A,就没有起到真正提高输出声功率的发明目的。
核心先决条件具体为:实现复合电极层中各电极相互引起的压电振动波相互干涉,选用相长干涉或相消干涉需要按照输出声功率提升还是减弱来定,如图2所示,为了实现第一复合电极层10中第一电极9和第二电极7引起的压电振动波相互干涉,假设第一电极9和第二电极7上的激励驱动信号频率为ƒ,要实现第一电极9和第二电极7产生相长干涉,则这两个电极之间的中心距尺寸为第一设定值,要实现第一电极9和第二电极7产生相消干涉,则这两个电极之间的中心距尺寸为第二设定值,在实际设计换能器时,可以依据第一设定值或第二设定值结合换能器实际控制需求将两个电极之间的中心距尺寸确定。
控制第一电极9和第二电极7之间的这种压电振动波相互干涉就是控制换能器声功率输出的增强或减弱的本质,依据该驱动控制方法原理,在实际设计换能器时,依据前述计算式将两个或多个电极之间的中心距尺寸确定好,可以实现复合电极层中任意电极之间的压电振动波相互可控干涉,达到对换能器声功率输出的精准控制。
在依据复合电极层中两个或多个电极之间的中心距尺寸实现任意电极之间的压电振动波相互可控干涉基础上,再加入电极上激励驱动信号的相位时序控制,可以实现将本发明涉及的换能器转化成传统相控阵换能器,实现了传统相控阵换能器所有的优点。在相控的方式中,由于这种任意电极之间的压电振动波相互可控干涉,本发明驱动方法原理依然可以提高换能器的声功率输出。
如图2所示,所述超声换能器包括由上到下依次设置的纯电极层12、纯压电层11和第一复合电极层10,所述第一复合电极层10包括由左至右依次设置的第一电极9、第一绝缘极8、第二电极7、第二绝缘极6、第三电极5、第三绝缘极4和第四电极3。
所述纯电极层12具体为第五电极1或第二复合电极层,所述第五电极1的材料为导电材料;
所述纯压电层11具体为压电薄膜2,所述压电薄膜2的材料为具有压电效应的材料。
如图3~图5所示,所述第一复合电极层10中的第一电极9、第一绝缘极8、第二电极7、第二绝缘极6、第三电极5、第三绝缘极4和第四电极3组成的排列结构形状为从左至右依次排列的矩形形状、从内向外依次排列的圆环形形状或从内向外依次排列的方环形形状。
本发明的有益效果为:本发明提供的超声换能器驱动控制方法使多电极超声换能器具有极低的电功耗,实现了超声波的节能应用,超声换能器在相同幅值激励电压下,本发明的超声换能器驱动控制方法使多电极超声换能器显著提高了声输出功率。
本发明的超声换能器驱动控制方法使换能器声功率输出可以精准控制,既可以高分辨率增加输出声功率,又可以高分辨率减弱输出声功率,在超高精度超声波应用领域具有很大的价值。
本发明的超声换能器驱动控制方法可以实现将简单的传统超声换能器转换成相控阵换能器,大大地简化了相控阵换能器复杂制备工艺,在经济效能成本上也有很好的优势,同时具有了相控阵换能器独有的参数性能优势。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此,限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。
Claims (5)
1.一种具有多电极的超声换能器驱动控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、启动超声换能器;
其中,所述超声换能器包括依次连接的纯电极层、纯压电层和复合电极层,所述复合电极层设置有若干电极,每个电极均与纯压电层连接,相邻的电极之间设置有绝缘极;
S2、通过实现复合电极层中各电极相互引起的压电振动波相互干涉,控制超声换能器发射超声波的最大位移振幅,完成超声换能器驱动控制;
所述S1具体为:通过差分信号或单端信号启动超声换能器;
其中,通过差分信号启动超声换能器的方法具体为:
将纯电极层接电系统的公共端,复合电极层中电极均接入对应的差分信号端口信号线,且相邻差分信号端口信号线输出的电信号极性相反;
通过单端信号启动超声换能器的方法具体为:
将纯电极层接电系统的公共端,复合电极层中电极均接入对应的单端信号端口信号线,且相邻单端信号端口信号线输出的电信号极性相同;
所述S2中,实现复合电极层中各电极引起的压电振动波相互干涉的方法具体为:相长干涉或相消干涉的方法;
所述相长干涉的方法具体为:控制复合电极层中任意两电极之间的中心距尺寸为第一设定值,所述第一设定值S1的表达式具体为:
S1=n*(λ/2)=(n*C)/(2*ƒ)
式中,n为第一阈值,当启动超声换能器的信号为差分信号时,第一阈值为奇数,当启动超声换能器的信号为单端信号时,第一阈值为偶数,λ为纯压电层中压电振动波的波长,且λ=C/ƒ,C为纯压电层中压电振动波横向传播速度,ƒ为输入电极的激励驱动信号频率;
所述相消干涉的方法具体为:控制复合电极层中任意两电极之间的中心距尺寸为第二设定值,所述第二设定值S2的表达式具体为:
S2=m*(λ/2)=(m*C)/(2*ƒ)
式中,m为第二阈值,当启动超声换能器的信号为差分信号时,所述第二阈值为偶数,当启动超声换能器的信号为单端信号时,所述第二阈值为奇数,λ为纯压电层中压电振动波的波长,且λ=C/ƒ,C为纯压电层中压电振动波横向传播速度,ƒ为输入电极的激励驱动信号频率。
2. 根据权利要求1所述的具有多电极的超声换能器驱动控制方法,其特征在于,所述S2中,超声换能器发射超声波时的最大位移振幅A的表达式具体为:
A=B*C
式中,B为单电极上电压幅值产生的位移振幅,C为电极数。
3.一种基于权利要求1~2任一权利要求所述的具有多电极的超声换能器驱动控制方法的超声换能器,其特征在于,所述超声换能器包括由上到下依次设置的纯电极层(12)、纯压电层(11)和第一复合电极层(10),所述第一复合电极层(10)包括由左至右依次设置的第一电极(9)、第一绝缘极(8)、第二电极(7)、第二绝缘极(6)、第三电极(5)、第三绝缘极(4)和第四电极(3)。
4.根据权利要求3所述的超声换能器,其特征在于,所述纯电极层(12)具体为第五电极(1)或第二复合电极层,所述第五电极(1)的材料为导电材料;
所述纯压电层(11)具体为压电薄膜(2),所述压电薄膜(2)的材料为具有压电效应的材料。
5.根据权利要求3所述的超声换能器,其特征在于,所述第一复合电极层(10)中的第一电极(9)、第一绝缘极(8)、第二电极(7)、第二绝缘极(6)、第三电极(5)、第三绝缘极(4)和第四电极(3)组成的排列结构形状为从左至右依次排列的矩形形状、从内向外依次排列的圆环形形状或从内向外依次排列的方环形形状。
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