CN1906484A - 驱动超声波变换器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种驱动超声波变换器的方法，能提高过0点的检测精度，并能提高声速的测量精度，而不受在背衬层的开放侧端部表面上反射的影响。超声波变换器(1)包括由夹置一压电体(31)的一对电极(4)和(5)所形成的压电谐振器(2)，并提供有与所述压电谐振器(2)的一个电极(5)接触而且具有与所述压电体(3)相同的声特性阻抗的背衬层(32)。所述超声波变换器(1)设定驱动，满足下述条件：2Th≤Td≤6Th，其中Th是超声波在被一对电极(4)和(5)夹置的压电体(31)内的传送时间，Td是驱动压电谐振器的脉冲宽度。

Description

驱动超声波变换器的方法
技术领域
本发明涉及一种驱动超声波变换器的方法，所述超声波变换器用于通过发射和接收超声波测量液体等内的声速。
背景技术
一般而言，超声波变换器具有包含通过夹置一压电体所形成的一对电极的压电谐振器，并在压电谐振器的一个电极的背面上设置有背衬层(比如参见专利文献1)。当把驱动信号加在所述一对电极之间时，压电谐振器受到激发，从而发送超声波。另一方面，当接收超声波时，压电谐振器将振动转换成电信号，并输出该电信号。另外，设置所述背衬层，为的是在激发时，吸收并衰减自压电谐振器发送到所述背面的超声波。
在利用这种超声波变换器测量各种液体中的声速时，按预定间隔设置一对超声波变换器，并从一个超声波变换器发送超声波。另一超声波变换器接收通过液体的超声波。测量电路测量从发送到接收所需的时间，并根据所测得的时间和两个超声波变换器之间的相对间隔计算液体中的声速。
在这种情况下，当压电谐振器以及设在其背面的背衬层(backinglayer)的声特性阻抗(acoustic characteristic impedance)差别较大时，在这两层的界面上发生声波的反射，引起所述压电体中的谐振，并因此而由所述谐振所致发生一种振动持续，在短时间内不收敛的现象，即所谓瞬时扰动。当出现这种瞬时扰动时，所接收到的声波信号中包含瞬时扰动成分，从而加大了测量的误差，同时引发比如时间分辨率下降等问题。因此，在公知技术中，曾提出一种有关超声波变换器的建议，其中，把设定条件确定为，使所述背衬层的声特性阻抗实质上与构成压电谐振器的压电体的声特性阻抗有相同的值，并使二者结合为一体(比如参见专利文献2)。
附带地，在对超声波变换器加给驱动脉冲时，驱动脉冲的形状就成为问题的焦点。当超声波变换器中使用压电体时，所加给的电压脉冲(＝驱动脉冲)和位移(displacement)实际上具有同样的波形，而且，所产生的超声波脉冲的声压和粒子速度成为基本上具有与所加给电压脉冲的时间微分同样的波形。这就是说，当驱动脉冲为矩形波时，脉冲上升的微分变成一个山的上升和下降，反之，脉冲的下降变成相反的谷的下降与上升。简单地说，当加给矩形的驱动脉冲时，由该脉冲的微分值产生声波。于是，作为举例，产生具有两个连续变化的即山和谷的超声波波形，有如图5中Td＝350ns(纳秒)那样的波形。就这点而言，当用三极管等来驱动元件时，会使驱动电流受到限制，并因此而使得如果元件的静电电容较大，则元件两端之间的电压成为三角波，而不是矩形波。这将导致所产生的超声波的声压下降，并因此而会有望使得在执行的时刻，驱动电流尽可能地大，同时使元件的静电电容尽可能地小，为的是使两个接线端之间的电压尽可能地接近矩形波。当脉冲宽度较宽时，所述的山和谷就会在时间上彼此分开。
另一方面，在有如上述那样要测量各种液体中的声速时，要对从把图23(a)中所示的驱动脉冲加给超声波变换器到接收到该波所需的时间进行测量。这时，正如图23(b)和23(c)所示的举例，如果接收侧计划要测量波到达山形波形的峰值或谷的底值附近的时间周期T1，则测量很容易受到放大器的增益、噪声等的影响，并因此而容易使测量的精度变差。因此，迄今为止，有如图23(d)和23(e)所示那样，关于T2实现测量，这是在从山落向下一个谷期间跨过0幅值点，也即直到过0点(zero-cross point)的时间。
专利文献1：日本未审专利申请公开No.15-259490
专利文献2：日本未审专利申请公开No.2003-37896
发明内容
为了像上面所述的那样以高精度检测接收信号的过0点，希望在过0点处的波形陡度尽可能尖锐。然而，在公知的技术中，并未充分地检查要加给超声波变换器的驱动脉冲的波形，特别是脉冲的宽度。因而，使测量误差增大。比如，在检测过0点时，检测的位置就变得不明确。相应地就会发生比如时间分辨率下降等问题。
再有，当有如专利文献2那样，将设定条件确定为使背衬层的声特性阻抗实际上等于与构成压电谐振器之压电体的声特性阻抗相同的值时，可能会在一定程度上抑制在所述两层界面上的反射。
不过，即使在这种情况下，也会在开口侧的端部表面上存在超声波的反射，所述开口侧的端部表面是与所述背衬层和压电谐振器的分界面相对的一侧，并将这种反射成分传送至接收侧，从而发生测量误差。因此，必须防止在所述背衬层的开口侧端部表面上的反射影响。
鉴于上述问题而做出本发明。本发明的目的在于提供一种驱动超声波变换器的方法，能够提高过0点的检测精度，并能改善超声波测量精度比以前更好，而不受背衬层的开口侧端部表面上反射的影响。
为实现上述目的，按照权利要求1所述的本发明，提供一种驱动超声波变换器的方法，所述变换器具有由夹置一压电体的一对电极所形成的压电谐振器，并提供与所述压电谐振器的一个电极接触并具有与所述压电体相同声特性阻抗的背衬层，所述方法包括驱动步骤，以满足下述条件：
2Th≤Td≤6Th
其中Th是超声波在被一对电极夹置的压电体内的传送时间，Td是驱动压电谐振器的驱动脉冲的脉冲宽度。
按照权利要求2所述的本发明驱动超声波变换器的方法是，在权利要求1所述的驱动方法中，将设定确定为使得满足下述条件：
Td＜(2L2+L1)/V
其中L1是被一对电极所夹置的压电体的厚度，L2是背衬层的厚度，而V是超声波在压电体及背衬层中传送时的声速。
按照权利要求3所述的本发明驱动超声波变换器的方法是，在权利要求1或2所述的驱动方法中，当通过夹置作为超声波发送目标的物质而相对设置一对超声波变换器时，将设定条件确定为使得满足下述条件：
(R2+X2)1/2-X＞(VM×Td)
其中X是两个相对的超声波变换器之间的距离，2R是超声波发送表面的短边长度或者直径，VM是在所述物质内传送的超声波的声速，而λ是在该物质内传送的超声波波长，以λ＝(VM×Td)表示。
按照权利要求4所述的本发明驱动超声波变换器的方法是，在权利要求1-3任何之一所述的驱动方法中，当存在由与压电谐振器的超声波发射表面物质和作为超声波传送目标的物质不同的物质制成并介于其间的分隔壁(partition wall)时，将设定条件确定为使得满足下述条件：
Td＜2Lw/Vw
其中Lw是分隔壁的厚度，Vw是超声波在该分隔壁中传送时的声速。
按照权利要求5所述的本发明驱动超声波变换器的方法是，在权利要求4所述的驱动方法中，将设定条件确定为，使所述分隔壁的声特性阻抗具有压电谐振器的声特性阻抗与作为超声波发送目标的物质的声特性阻抗之间的值。
采用权利要求1所述本发明驱动超声波变换器的方法，在发送侧，将驱动脉冲的脉冲宽度设定成满足一定的条件，以便在接收侧能保持过0点处的波形陡度尖锐。于是，就能提高过0点的检测精度。相应地，时间分辨率提高到比收到超声波之前的好，并从而使以高精度测量声速成为可能。
采用权利要求2所述本发明驱动超声波变换器的方法，在发送侧，将驱动脉冲的脉冲宽度或背衬层的厚度设定得满足一定的条件，并因此而在超声波发送时，使接收侧不受所述背衬层的开口侧端部表面上反射的影响。相应地，就使得能够将超声波的测量精度提高到比以前好。
采用权利要求3所述本发明驱动超声波变换器的方法，将一对超声波变换器之间的距离X设定得满足一定的条件，于是，在近距离音场内收到超声波。相应地，能够免除衍射波的影响，因此而使比以前更好地提高超声波测量精度成为可能。
采用权利要求4所述本发明驱动超声波变换器的方法，在具有由与压电谐振器的超声波发射面的物质和要成为超声波发射目标的物质不同的物质制成并介于其间的分隔壁的情况下，将驱动脉冲的脉冲宽度或分隔壁的厚度设定得满足一定的条件，从而对接收侧能够免除在分隔壁上所造成的反射的影响。相应地，时间分辨率提高到比收到超声波之前的好，从而使以高精度测量声速成为可能。
采用权利要求5所述本发明驱动超声波变换器的方法，声特性阻抗具有压电谐振器的声音特性阻抗与作为超声波发送目标的物质的声音特性阻抗之间的值，并因此而能使因超声波在分离壁上反射的衰减量很小。相应地，就能有效地向着接收侧发射超声波。
附图说明
图1表示本发明第一实施例超声波变换器结构，图1(a)为剖面图，而图1(b)是沿图1(a)的Z-Z线所取的截面视图；
图2是表示图1所示超声波变换器电极的具体尺寸及形状的平面剖视图；
图3是用于观察所接收到的从具有图1所示结构的超声波变换器发射的超声波波形的装置结构图；
图4是说明使用同一装置时加给超声波驱动脉冲情况的示意图；
图5是表示使用图3所示装置时，所接收到的在超声波变换器的驱动脉冲的脉冲宽度变化时所得超声波的波形示意图；
图6是表示使用图3所示装置时，所接收到的在超声波变换器的驱动脉冲的脉冲宽度变化时所得超声波波形的山形峰值和谷的底值各自声压的测量结果特性示意图；
图7是表示在具有图1所示结构的超声波变换器中，从压电谐振器的发射表面直接发射的超声波与通过从背衬层的端部表面反射并再次通过压电谐振器2而发射的超声波之间关系的说明性示意图；
图8是表示加给超声波变换器的驱动脉冲与所接收的超声波波形之间比较的说明性示意图；
图9是通过以预定间隔相对设置一对由第一和第二实施例所述结构和条件驱动的超声波变换器构成一种超声波发送器/接收器情况的说明性示意图；
图10是通过以预定间隔相对设置一对由第一和第二实施例所述结构和条件驱动的超声波变换器构成另一种超声波发送器/接收器情况的说明性示意图；
图11是为了分离图9或图10所示超声波发送器/接收器中由于发射超声波所产生的直接波和衍射波而设定相对间隔情况的说明性示意图；
图12是表示在图11中所述一对超声波变换器之间的相对间隔改变时所产生的接收波形的特性曲线；
图13是用超声波发射表面的短边长度或直径2R作为参数时绘制的Δ＝{√(R2+X2)}-X曲线；
图14是表示在使用具有图9所示结构的超声波发送器/接收器时，通过测量超声波在水中的传送时间随水温度的变化所得结果的特性示意图；
图15是表示在使用具有图10所示结构的超声波发送器/接收器时，通过测量超声波在水中的传送时间随水温度的变化所得结果的特性示意图；
图16是表示一对超声波变换器与要测量目标之间存在分隔壁情况下的状态的说明性示意图；
图17是表示在使用具有图9所示结构的超声波发送器/接收器时，通过对应于分隔壁的存在测量超声波传送条件所得结果的特性示意图；
图18是表示在一对超声波变换器与要测量目标之间存在分隔壁时，因分隔壁的存在而使超声波受到反射情况下的状态的说明性示意图；
图19是表示在一对超声波变换器与要测量目标之间存在分隔壁时，通过随分隔壁厚度不同测量超声波的传送条件所得结果的特性示意图；
图20在表示使用具有图9所示结构的超声波发送器/接收器时，随着分隔壁的材料不同测量超声波传送条件所得结果的特性示意图；
图21是表示各种测量的密度、声速以及声特性阻抗之间关系的说明性示意图；
图22表示在使用图9和图10所示超声波发送器/接收器时所适用的流管，图22(a)是表示其中装有所述超声波发送器/接收器情况的局部剖视正面图，图22(b)是其侧视图，图22(c)是沿图22(a)的Y-Y线所取的截面图；
图23是表示在使用超声波变换器测量物质中的声速时，驱动脉冲、接收的超声波波形以及测量脉冲之间关系的时序图；
图24是为了说明设定本发明超声波变换器驱动方法中驱动脉冲的脉冲宽度最佳范围所要使用的波形图；
图25是为了说明设定本发明超声波变换器驱动方法中驱动脉冲的脉冲宽度最佳范围所要使用的波形图；
图26是为了说明设定本发明超声波变换器驱动方法中驱动脉冲的脉冲宽度最佳范围所要使用的波形图。
参考标号
1，1a，1b  超声波变换器
2，2a，2b  压电谐振器
3  压电体
31，31a，31b  压电有源部分
4，4a，4b  电极
5，5a，5b  电极
20，21  超声波发送器/接收器
24  要作为声速测量目标的物质
25  分隔壁
具体实施方式
按照本发明，所述驱动超声波变换器的方法，变换器具有由一对电极形成的压电谐振器，所述电极夹置着压电体并设置有与压电谐振器的一个电极接触，还具有与压电体相同声特性阻抗的背衬层，所述方法包括驱动步骤，用以满足条件
2Th≤Td≤6Th                                (1)
其中，Th是超声波在被一对电极夹置的压电体内的传送时间，Td是驱动压电谐振器的驱动脉冲的脉冲宽度。
当测量各种液体中的声速时，为了以高精度检测接收波信号的过0点，最好在过0点处具有尽可能尖锐的波形陡度。这就是说，当驱动脉冲的脉冲宽度Td太宽时，过0点处波形的陡度将会变缓，因而过0点变得不清楚。另外，当驱动脉冲的脉冲宽度Td过于窄宽时，信号电平就会变低，并因此而使S/N比变差。此外，从山到谷的变化程度变小，从而过0点处波形的陡度变缓，同时引起过0点不清楚。相反，当把所述驱动脉冲的脉冲宽度设定得使之满足上述条件(1)时，就能使过0点处波形的陡度尖锐。相应地，就能提高过0点的检测精度，并因此而能使超声波的测量精度提高到比以前更好。
此外，按照本发明驱动超声波变换器的方法，当采用上述驱动方法时，将设定条件确定为，使得满足条件：
Td＜(2L2+L1)/V                   (2)
其中L1是被一对电极所夹置的压电体的厚度，L2是背衬层的厚度，而V是超声波在压电体及背衬层中传送时的声速。
如果事先把背衬层的厚度L2设定得满足上述条件(2)，就可以在时间上使从压电谐振器直接产生的超声波与在所述背衬层开口侧的端部表面上反射的超声波分开。因此，就能够免除背衬层开口侧的端部表面上所反射的超声波的影响，从而能使超声波的测量精度提高到比以前更好。就这一点而言，可代替设定背衬层的厚度L2，而将驱动脉冲的脉冲宽度Td设定得满足上述条件(2)。就此而言，当把具有与发射器同样结构的超声波变换器用作接收器时，就必须将接收器设定成满足条件(2)。
另外，按照本发明驱动超声波变换器的方法，当相对地设置一对超声波变换器，以夹置作为超声波传送目标的物质时，将设定条件确定成，使得满足条件：
(R2+X2)1/2-X＞(VM×Td)                        (3)
其中X是两个相对的超声波变换器之间的距离，2R是超声波发射表面的短边的长度或直径，VM是在所述物质内传送的超声波的声速，而λ是在该物质内传送的超声波波长，以λ＝(VM×Td)表示。
这就是说，所要发送的超声波包括从整个发送表面同时发射的直接波和具有从发送表面的端部发射的相反极性的衍射波。然而，当把一对超声波变换器之间的距离X设定成满足上述条件(3)时，在近距离声场内接收到超声波，并因此而能够在时间方面分离并消除衍射波的影响。相应地，就能够使超声波的测量精度提高到比以前更好。
另外，按照本发明驱动超声波变换器的方法，当具有由与压电谐振器的超声波发射表面物质和要作为超声波发送目标的物质不同的物质制成并介于其间的的分隔壁时，将设定条件确定成，使得满足条件：
Td＜2Lw/Vw                            (4)
其中Lw是所述分隔壁的厚度，Vw是超声波在该分隔壁中传送时的声速。
如果将分隔壁的厚度设定得满足上述条件(4)，就能够免除在接收侧因在该分隔壁上引起的反射的影响。这就是说，就能够在时间上使从压电谐振器直接产生的超声波与所述分隔壁的端部表面上反射的超声波分开。相应地，所述时间分辨率提高到比收到超声波之前的好，从而使以高精度测量声速成为可能。就这一点而言，可以代替设定所述分隔壁的厚度，而将驱动脉冲的宽度Td设定成满足上述条件(4)。
再有，按照本发明驱动超声波变换器的方法，将设定条件确定成使所述分隔壁的声特性阻抗具有压电谐振器的声音特性阻抗与作为超声波发送目标的物质的声音特性阻抗之间的值。因而，能使因超声波在分离壁上反射的衰减量很小。相应地，就能有效地向着接收侧传送超声波。作为必然发生的事，当把具有与发射器同样结构的超声波变换器用作接收器时，最好有如上述那样设定分隔壁的厚度Lw和声特性阻抗。
下面将给出有关具体实施例的描述，这些实施例成为采用上述驱动超声波变换器方法的基础。
第一实施例
图1表示这个第一实施例超声波变换器结构，图1(a)为剖面图，而图1(b)是沿图1(a)的Z-Z线所取的截面视图。图2是表示这一超声波变换器电极的具体尺寸及形状的平面剖视图。
第一实施例的超声波变换器1包括由比如锆钛酸铅(PZT)等陶瓷材料制成的压电体3，以及在所述压电体3内以预定间隔形成的一对电极4和5。使由上述一对电极4和5夹置的部分压电体3经受极化处理，构成压电有源(active)部分31。于是，由这种压电有源部分31和所述一对电极4和5构造成压电谐振器2。
此外，把位于这一压电谐振器2的一个电极5外面的部分压电体形成为背衬层32。还有，给另一电极4的外面设置薄的表层33。相应地，使构成压电谐振器2的压电有源部分31、背衬层32，以及表层33共成一体，以具有相同的声特性阻抗。就此而言，不使背衬层32和表层33极化，而处于无源(non-active)状态；但也可能已受到极化处理。另外，在与压电谐振器2的电极形成面正交的一侧的端面上，分别形成外部连接电极7和8，它们各自与电极4和5的引出部分4a和5a相连。
在这个第一实施例中，有如下述这样制成具有上述结构的超声波变换器1。首先，把水和胶黏剂加入到主要成分为锆钛酸铅(PZT)的压电陶瓷粉末中，形成片状。每一层这种陶瓷片的厚度烧结前约为65μm，而烧结后约为40μm。通过丝网印刷方法把银-钯糊印制在与电极4和5相应的部分。根据烧制条件等，将钯的量选择在0-80％的范围内。这里将这个量确定为30％。
利用上面所说的片，把四层陶瓷片叠置形成压电有源部分31，而将三十七层叠置形成背衬层32，再叠置一层形成表层33。在最高到大约100℃的温度下，将这些片烧制成一体。烧成后，超声波变换器1的整体尺寸为6×9×1.7mm。这时，压电有源部分31的厚度约为160μm，背衬层32的厚度约为1.5mm，而表层33的厚度约为40μm。另外，如图2所示，每个电极4和5的厚度是1-2μm，每个电极4和5与压电有源部分31相对的部分的尺寸是5.5mm的正方形，引出部分4a和5a的宽度是0.5mm。为了不具有压电激励性质，使引出部分4a和5a彼此偏移。
继而，为了使每个引出部分4a和5a与外部电接触，在电极4和5的引出部分4a和5a的露出于侧面的部分上形成外部连接电极6和7。通过由银粉末和玻璃粉末制成的电极糊涂布电极，并在约800℃温度下烧制，形成所述外部连接电极6和7。就此而言，通过比如采用沉积和溅射等真空技术的方法可以形成金属膜。接下去，通过在外部连接电极6和7的两端之间加给480V的直流电压，实行极化处理。
如图3所示，把按这种方式形成的超声波变换器1放置在水池10中。由PVDF水下听音器11接收超声波变换器1发射的超声波，并通过前置放大器12，用数字示波器13观察收到的波形。通过由脉冲发生器14产生多种脉冲宽度的单稳脉冲(single-shot pulse)，并通过驱动器15将这种脉冲加给超声波变换器1而实现驱动所述超声波变换器1。这就是说，有如图4所示那样，通过放大器15a，同时使用驱动器15的倒相器，将单稳脉冲直接加给一个电极4。另外，通过倒相器15b，使经放大器15a放大的脉冲反转倒相，然后加给另一个电极5。就这点而言，这种基本操作与只使用一个倒相器而不用两个倒相器的情况相同。这就是说，按照本发明，重要的是脉冲宽度的控制，而不考虑驱动的方法。
图5表示在通过对超声波变换器1的两个电极两端加给具有多种脉冲宽度Td的单稳脉冲而发射超声波的情况下，在传送距离X＝5mm处观察到的波形。再有，图6是在驱动脉冲的脉冲宽度Td变化时，所接收到的波形的山形峰值和谷的底值各自声压的测量结果。
正如从这些图所能理解的那样，当脉冲宽度Td是在未满80ns的小范围时，峰和谷的幅值也都是小的，变化的程度是轻微的，山和谷的波形是非对称的，并因此而使过0点是不清楚的。另外，当脉冲宽度Td是大于250ns时，使得超声波波形的山和谷分开，在过0点处波形的陡度变缓，并因此而使检测过0点的时刻的检测点变得不清楚。
相反，当脉冲宽度Td是在80ns与250ns之间时，超声波形的山和谷对称性很好，而且在从山变到谷的过0点处的波形陡度相对地较为尖锐。于是，就能够以高精度检测过0点。
在这个第一实施例的情况下，构成压电谐振器2的压电有源部分31的厚度约为160μm，这时的声速约为4000m/s，并因此而使压电有源部分31的传送时间Th约为40ns。当有如上述那样，所示脉冲宽度Td是在80ns与250ns之间时，过0点的检测精度较高。因而，在以传送时间Th规定脉冲宽度Td时，可以理解，即使将驱动脉冲的脉冲宽度Td设定在通过压电有源部分31的超声波的传送时间Th的2-6倍范围内，也能清楚地测出所述过0点。因此，如果通过将驱动脉冲的脉冲宽度Td设定成满足2≤(Td/Th)≤6，也即满足上述条件(1)而实现驱动，就能够清楚地测出所述过0点。
另外，为清楚地检测过0点的最适宜的范围是2≤(Td/Th)≤3。这中间的理由将参照图24-26予以描述。
首先，考虑理想的情况。当把有如图24(a)所示的驱动脉冲(脉冲宽度Td)加给超声波变换器1时，这时的位移波形变成有如同一图的(b)所示那样。而且这时由超声波变换器1所产生的声压波形成为有如同一图的(c)所示那样。在这种情况下，假设在驱动脉冲的上升和下降处波形的位移各自需要时间Th，则声波波形的山的宽度与谷的宽度变为相同的Th。为使超声波形的山和谷具有良好的对称性，以及使过0点处的波形陡度尖锐，必须使超声波形的山和谷之间的时间间隔Tg≈0。因此，当有如图25(a)所示那样Td＝Th时，有如同一图的(b)所示那样得到最为适宜的超声波波形。
但是，有如图26(a)所示那样，实际的驱动脉冲波形恰恰类似于电容器中所充电荷通过电阻器放电的波形，因此，考虑到信号的上升时间Tr，则超声波变换器1的位移波形需要Tr+Th，有如同一图的(b)中所示那样，作为开始把驱动电压加给压电体3到结束的时间。于是，超声波变换器1所产生的声波波形成为同一图的(c)中所示的波形。另外，在这种情况下，为了在过0点处波形具有尖锐的陡度，必须使超声波形的山和谷之间的时间间隔Tg≈0。因此，当
Td＝Tr+Th                                (I)时，实际上得到适宜的超声波波形。
然而，图26中所示信号的上升时间Tr与实际的使用条件、电路结构等有关。要由最小的电流源得到最大电压的条件是在Th＝Tr时。当把这一条件用于上述表示式(I)时，结果就成为Td＝2Th，即Td/Th＝2。实际上是Tr略大于Th，因此，Td/Th＝2表示要清楚地测出过0点的最佳范围的下限。
另一方面，为清楚地测出过0点的最佳范围的上限与Tr有关。图5所示实验的结果表明，Td/Th＝6(即Td＝250ns)即为这一上限的。不过，有如从图5所能得出的，当Td/Th＝6时，超声波的山和谷略有分离，因此，过0点变得有点不清楚。因此，图5所示实验的结果表明，Td/Th＝3(即Td＝120ns)是最理想的。
第二实施例
图7表示在具有图1所示结构的超声波变换器中，从压电谐振器2的发射表面直接发射的超声波与从背衬层32的开放端部表面32a反射并再次通过压电谐振器2而发射的超声波之间的关系。另外图8表示加给超声波变换器1的驱动脉冲与接收时的超声波波形之间的比较。
在接收超声波时的波形中，从山的上升点到过0点的时间实际上等于驱动脉冲的脉冲宽度Td。因此，如果为了通过从背衬层32的开放端部表面32a的反射，而使由压电谐振器2产生的超声波再次返回到该压电谐振器2的发射表面所需的时间Te大于驱动脉冲的脉冲宽度Td(Te＞Td)，则可使从压电谐振器2的发射表面直接发射的超声波与在接收侧从背衬层32的开放端部表面32a反射的超声波从时间上分开。
这里假设L1为压电有源层31的厚度，L2是背衬层32的厚度，而V是超声波在压电有源层31和背衬层32中传送时的声速，则Te＝(2L2+L1)/V。于是，如果事先将背衬层32的厚度L2设定成满足(2L2+L1)/V＞Td，也就是说，满足上述条件(2)，则可以免除背衬层32开放侧的端面上所反射的超声波的影响。就这一点而言，可以代替设定背衬层的厚度L2，而将驱动脉冲的脉冲宽度Td设定成满足上述条件(2)。
第三实施例
图9和图10是以预定间隔相对地设置一对由第一和第二实施例中所述结构及条件驱动的超声波变换器，从而构成一种超声波发送器/接收器的说明性示意图。
通过在压电体3中形成两对相对的电极4a，5a和4b，5b，并通过切割等，将位于每一对上面的电极4a，5a和下面的电极4b，5b之间的中心部分切割成U形形状，而制成图9中所示的超声波发送器/接收器20。于是，在所述超声波发送器/接收器20的结构中，通过支撑件34，使一对具有与图1所示的超声波变换器同样结构的超声波变换器1a和1b连接。
相应地，位于上部的一对电极4a和5a和由这对电极4a，5a所夹置的压电体，也就是说压电有源部分31a构成压电谐振器2a，还在一个电极5a的背面一侧上面形成背衬层32a，构成一个超声波变换器1a。同样地，位于下部的一对电极4b和5b和由这对电极4b，5b所夹置的压电体，也就是说压电有源部分31b构成压电谐振器2b，还在一个电极5b的背面一侧上面形成背衬层32b，构成一个超声波变换器1b。具有如此结构的所述超声波发送器/接收器20的优点在于，它只需要很少的制作工时，并易于使超声波变换器1a和1b对准。
通过使用隔垫22并用粘结剂，使一对分别具有实质上与图1所示超声波变换器同样结构的超声波变换器1a和1b结合成U形形状，制成图10所示的超声波发送器/接收器21。
下面有如图11所示，假设从一个超声波变换器1b(比如下面一侧的)向着另一个超声波变换器1a(这里是上面一侧的)发射超声波，则所要发射的超声波包括直接从下面一侧的超声波变换器1b的整个发射面发射的波和从所示发射面的边缘部分发射的具有相反极性的衍射波。
当所述直接波和衍射波到达接收侧的超声波变换器1a而不叠加时，有如图12(a)所示者，从接收波的山到谷的过0点是清楚的。但如图12(b)所示那样，当所述直接波和衍射波到达接收侧的超声波变换器1a而有叠加时，就没有从接收波的山到谷和从谷到山的连续的前后两个过0点，因此，就难于以高精度检测过0点。相应地，这导致接收超声波时的时间分辨率降低。
这里假定X是在连接下侧超声波变换器1b的超声波面的中心以及上侧超声波变换器1a的超声波面的中心的声轴23上的相对的距离，2R是超声波发射表面的电极4b的短边一侧的长度(当电极4b为圆形时的直径)，VM是在被上下超声波变换器1a和1b夹置的物质中传送的超声波的声速，所述物质中传送的超声波的波长λ以λ＝VM×Td表示。从一个超声波变换器1b的超声波表面边缘到另一个超声波变换器1a的超声波表面的声轴23的距离被表示成(R2+X2)1/2。
现在，当从下侧超声波变换器1b的超声波面的中心发射的超声波传送距离X而到达上侧超声波变换器1a时，从所述边缘发射的衍射波也走过相同的距离X。为使直接波与衍射波从时间上分开，就需要在直接波到达接收侧的超声波变换器1a的时间点，使直接波与衍射波之间的距离差Δ＝(R2+X2)1/2-X超过在所述物质内传送的超声波的声速VM与脉冲宽度Td的乘积VM×Td(距离)。
相应地，如果把所述相对的距离X设定成满足Δ＞λ，也就是说，满足上述条件(3)，就能够使直接波与衍射波从时间上分开，从而能按高精度检测过0点。就这点而言，可以期望上述距离差Δ具有尽可能比波长λ长的值。这就是说，在近距离的声场中可以期望是这样的。如果Δ太小(也即在远距离的声场中相对的距离X较大)，不能使直接波与衍射波分开。在这一点上，如果接收侧的超声波变换器较大，则即使在不能使直接波与衍射波分开的情况下，也能收到波。然而，直接波以相同的相位对整个接收波表面入射，但衍射波以连续不同的相位入射。于是，其结果是衍射波的影响变得非常小。
图13是用超声波发射表面的短边长度或直径2R作为参数时绘制的λ＝Δ{√(R2+X2)}-X曲线。如果点在这条曲线的下面，那就是在近距离的声场内，而如果点在上面，则是在远距离的声场内。
第四实施例
在第四实施例中，对具有图9和图10所示第三实施例结构的超声波发送器/接收器的各种特性做了实验。
图14表示在使用具有图9所示结构的超声波发送器/接收器的同时，通过测量超声波在水中的传送时间随水温度的变化所得到的结果。就此而言，这里将70℃时的值表示为0ns。另外，由超声波变换器1a和1b之间的距离X≈1.4mm和文献值求得同一图中的计算值。正如从图14所能理解的，测量结果与计算值之间的差很小，而且重复的测量精确也很好。
图15表示在使用具有图10所示结构的超声波发送器/接收器21的同时，通过测量超声波在水中的传送时间随水温度的变化所得的结果。就此而言，同一个图的(a)是以环氧树脂将一对超声波变换器1a和1b以及隔垫元件22粘结成一体的情况。另外，同一个图的(b)是以玻璃将一对超声波变换器1a和1b以及隔垫元件22粘结成一体的情况。
比较二者表明，以玻璃粘结隔垫元件22的情况与文献值的误差较小，并有良好的重复精度。另一方面，以环氧树脂粘结隔垫元件22的情况与文献值有较大的改变和差别。因而，不适宜要求有较高时间分辨率的情况。对于这一点的理由推断为，所述一对超声波变换器1a和1b之间的间隔会因水温变化所致树脂的变形而改变。
第五实施例
在第五实施例中，在使用具有图9和图10所示第三实施例结构的超声波发送器/接收器20和21的情况下，比如图图16所示那样，有时会存在分隔壁25，比如一对超声波变换器1a和1b之间的管子，以及要作为测量声速目标的物质，比如液体等。已经实验过对于分隔壁25的影响。这里对于分隔壁25采用厚度Lw＝0.2mm的聚碳酸酯，而对于超声波要通过它传送的物质使用水。要用作分隔壁25的聚碳酸酯中的声速约为2330m/s。
图17(a)是具有图9所示结构的超声波发送器/接收器20原样不变在浸入水中的状态下测量超声波的传送所得的结果。图17(b)是在超声波发送器/接收器20与水24之间设置分隔壁25情况下测量超声波的传送所得的结果。在图17(a)和17(b)中，上面一行的曲线是幅值为4.5V、时间宽度为100ns的驱动脉冲的波形。中间一行的曲线是将传送到接收侧超声波变换器1a的信号放大20倍所得到的波形。下面一行的曲线是通过放大由中间一行曲线的参考标记P标示的部分所得到的。就此而言，把比如环氧树脂、硅橡胶等粘合剂薄薄地涂敷于超声波发送器/接收器20和分隔壁25上。
有如从图17所能理解的那样，即使存在分隔壁25，也能发射和接收超声波，而且不会看到接收到的波形幅值的明显改变。不过，有如图18所示那样，在超声波发送器/接收器20与水24之间存在分隔壁25的情况下，接收超声波既有从发射侧的超声波变换器1b发射表面发射的直接波，也有在分隔壁25的端部表面上反射的超声波。图17(b)表示既接收这种直接波，又接收在分隔壁端部表面上反射的超声波的情况。因此，当按重叠的方式接收所述直接波和反射波时，就变得难于以高精度检测过0点。
为了使从发射侧的超声波变换器1b发射表面发射的直接波与在分隔壁25的端部表面上反射的超声波分开，必须使在分隔壁25内超声波的往返所需时间Tw大于驱动脉冲的脉冲宽度Td(Tw＞Td)。因此，图18中假定Lw为分隔壁25的厚度，Vw是在分隔壁25中传送的声速，于是，Tw＝2Lw/Vw。因而，如果将分隔壁25的厚度Lw设定为满足2Lw/Vw＞Td，也就是满足上面的条件(4)，就能够在时间上分开所述直接波和反射波，并以高精度检测过0点。
从这样的观点，在厚度分别为0.2mm和0.5mm的聚碳酸酯制成的分隔壁25的情况下，关于超声波的传送进行测量。结果示于图19中。图19(a)是分隔壁25的厚度为0.2mm的情况，图19(b)是分隔壁25的厚度为0.5mm的情况。每一幅图中的上面一行的曲线是幅值为4.5V、时间宽度为100ns的直接波的波形，中间一行的曲线是把传送至接收侧的超声波变换器1a的信号放大20倍所得到的波形。下面一行的曲线是通过放大中间一行的参考标记P标示部分所得到的。有如通过比较图19(a)和19(b)所表示的那样，如果将分隔壁25的厚度设定成满足上述条件(4)，则可以理解就能够免除反射波在直接波上的影响。
第六实施例
像上述第五实施例中那样，第六实施例中，在一对超声波变换器1a和1b之间存在分隔壁25，比如管子等，以及存在物质24作为测量声速目标的情况下，实验分隔壁25材料的影响。
这里，各自使用聚碳酸酯和液晶聚合物作为分隔壁25的材料，关于超声波的传送情况进行测量，而且两种情况下所述分隔壁25的厚度Lw均为0.5mm，并用水作为所述物质24，超声波即通过该物质传送。结果示于图20中。图20(a)是用聚碳酸酯制成所述分隔壁25的情况，而图20(b)是用液晶聚合物制成所述分隔壁25的情况。每幅图中上面一行的曲线是幅值为4.5V，时间宽度为100ns的驱动脉冲的波形。中间一行的曲线是将传送到接收侧超声波变换器1a的信号放大20倍所得的波形。下面一行的曲线是通过放大中间一行曲线的参考标记P标示部分得到的。正如从这一结果所能理解的那样，不仅能够使用聚碳酸酯而且能够使用液晶聚合物作为分隔壁25的材料发射和接收超声波，而且它的S/N比良好。
如图21所示，要成为分隔壁25的两种材料，即聚碳酸酯和液晶聚合物的材料的声特性阻抗值在构成超声波变换器1a和1b的压电陶瓷的声特性阻抗值与要作为超声波发射目标的所述物质24(这里为水)的声特性阻抗值之间。因此，能够减少因分隔壁25上超声波影响而衰减的量，并因此而能有效地将超声波发射到接收侧。
就这一点而言，在实际使用图9和图10所示的超声波发送器/接收器20和21时，比如，可以采用具有图22中所示形状的流管27。图22(a)是表示其中装有所述超声波发送器/接收器情况的局部剖视正面图，图22(b)是其侧视图，图22(c)是沿图22(a)的Y-Y线所取的截面图。
由聚碳酸酯制成的这种流管27具有在其内部沿长度方向形成的矩形流路27a，并具有分别在右侧和左侧上面形成的凹入部分27b和27c。通过将图9和图10所示的超声波发送器/接收器20和21的每个超声波变换器1a和1b安装成为使每个凹入部分27b和27c相对，能够测量流过所述流路27a的液体的声速。
采用这样的流管27，当测量流过所述流路27a腐蚀性液体的流速时，就能够测量流速，而不会损害超声波发送器/接收器20和21的稳定性。另外比如，通过安装具有附带测量温度功能的集成电路，可以构成流管27、超声波发送器/接收器20和21的集成模块和集成电路。再有，由于具有这样的结构，就能够省去图10中的隔垫元件22，因此而能具有简单的结构。
就这一点而言，上述第一至第六实施例中，对于超声波变换器1、1a和1b的压电体3采用压电陶瓷。不过，本发明并不限于此。比如，可以使用高分子PVDF压电体等。
工业上的应用
本发明的驱动产生变换器的方法可用于测量在比如液体等介质中传送的声速情况中的超声波变换器。

Claims (5)

1.一种驱动超声波变换器的方法，所述变换器具有由夹置一压电体的一对电极所形成的压电谐振器，并提供与所述压电谐振器的一个电极接触并具有与所述压电体相同声特性阻抗的背衬层，所述方法包括驱动步骤，以满足下述条件：
2Th≤Td≤6Th
其中Th是超声波在被一对电极夹置的压电体内的传送时间，Td是驱动压电谐振器的脉冲宽度。
2.如权利要求1所述的驱动超声波变换器的方法，其中，将设定条件确定为使得满足下述条件：
Td＜(2L2+L1)/V
其中L1是被一对电极所夹置的压电体的厚度，L2是背衬层的厚度，而V是超声波在压电体及背衬层中传送时的声速。
3.如权利要求1或2所述的驱动超声波变换器的方法，其中，当通过夹置作为超声波发送目标的物质而相对设置一对超声波变换器时，将设定条件确定为使得满足下述条件：
(R2+X2)1/2-X＞(VM×Td)
其中X是两个相对的超声波变换器之间的距离，2R是超声波发送表面的短边长度或者直径，VM是在所述物质内传送的超声波的声速，而λ是在该物质内传送的超声波波长，以λ＝(VM×Td)表示。
4.如权利要求1-3任一项所述的驱动超声波变换器的方法，其中，当存在由与压电谐振器的超声波发射表面物质和作为超声波传送目标的物质不同的物质制成并介于其间的分隔壁时，将设定条件确定为使得满足下述条件：
Td＜2Lw/Vw
其中Lw是分隔壁的厚度，Vw是超声波在该分隔壁中传送时的声速。
5.如权利要求4所述的驱动超声波变换器的方法，其中，将设定条件确定为，使所述分隔壁的声特性阻抗具有压电谐振器的声特性阻抗与作为超声波发送目标的物质的声特性阻抗之间的值。
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