CN202353805U - 超声波换能器锥体形超波导振动子 - Google Patents
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Abstract
一种超声波换能器锥体形超波导振动子,振动子形状为锥体形状。所述的锥体形超波导振动子,可以是其截面为圆形的圆锥体超波导振动子,或可以是其截面为方形的方形锥体超波导振动子。采用锥形体超波导振动子设计而成的超声波换能器,可以建立一个大大优于柱形声场的新声场-锥形声场。锥型声场的声能传输能力与传输距离的二次方根成反比,即每增加一倍传输距离,声能减少1.5dB(分贝)。换能器接收到的声能信号强度,是原柱形声场的(10~20)L1 1/2倍或更多。超波导发射换能器在工作时,其向后发射的外传信号,其衰减的方式相当于发散声场,其声能传输能力与传输距离的平方成反比,即每增加一倍传输距离,声能减少6dB(分贝)。
Description
技术领域
本实用新型是用于超声波换能器的超波导振动子,特别涉及对其结构的改进。
背景技术
超声波换能器是应用在超声波流量计中,一般有两个为一组,相互交替发射和接收超声波声能,即发射换能器A和接受换能器B。每台超声波流量计可以有一组换能器或多组换能器。
换能器中最关键的压电元件是振动子。目前换能器中的振动子的结构均为柱形,即柱体形振动子。其形成的声场为柱形声场,柱形声场的技术,也称为波导技术。
柱形声场有如下三个缺点:
其一:柱型声场的声能传输能力与传输距离成反比,即每增加一倍传输距离,声能减少3dB(分贝)。
其二:柱形声场中,柱形振动子的发射面积与接收面积是一样的。
上述缺点,会使接受换能器中接受到的声能信号强度太弱,以至无法正常工作。目前采取的方法,是加大发射换能器的发射信号的强度,也即加大产生发射信号的激励电压。如此,又将在电路设计和防爆设计中产生新的问题。
其三:当柱形振动子在激励电压激励下产生振动时,其向前产生的声能(有用信号)和向后产生的声能(有害信号/即外传信号),其能量是相同的。
该缺点会产生较大的有害信号(即外传信号)。该有害信号会产生相应的干扰信号,从而影响正常的测量精度和测量范围,尤其是在小流量测量范围段。
实用新型内容
为克服上述已有技术存在的缺点,本实用新型提供一种改进的用于超声波换能器使用的超波导振动子。
一种超声波换能器锥体形超波导振动子,其特征在于,振动子形状为锥体形状。
所述的锥体形超波导振动子,可以是其截面为圆形的圆锥体超波导振动子,或可以是其截面为方形的方形锥体超波导振动子。
采用锥形体超波导振动子设计而成的超声波换能器,可以建立一个大大优于柱形声场的新声场-锥形声场。为有别于柱形声场的波导技术,将锥形声场的技术称之为超波导技术。
锥形声场的优点有:
其一:锥型声场的声能传输能力与传输距离的二次方根成反比,即每增加一倍传输距离,声能减少1.5dB(分贝)。即锥形声场中,超声波声能的衰减要低于柱形声场1.5dB(分贝);即超波导换能器接收到信号强度是柱形声场换能器的L1 1/2倍,L1是超声波测量途径的路程。
其二:其锥体的锥度为5~20,锥体小端到锥体顶点的距离,按超声波发射换能器到超声波接收换能器的直线距离来计算。
锥体形振动子的信号接收面积为锥形的顶部1,其信号发射面积为锥形的小端2,发射面积与接收面积的比值即锥度可在5~20之间。这样,采用如此的锥体形超波导振动子而制作的超波导发射换能器,在其工作时,其所发射的声能在到达接收换能器时,其声能将聚焦在一条线或近似线面积的锥形顶部1,其锥体形振动子的接收信号的声压是柱体形振动子的5~20倍。
综上两者,采用本实用新型锥体形超波导振动子,则换能器接收到的声能信号强度,是原柱形声场的(10~20) L1 1/2倍或更多。计算、加工、装配的越精确,其声能接收点的线面积就越小,其接收到得声能信号强度就越强。
其三:采用本实用新型锥体形超波导振动子而制作的超波导发射换能器,在其工作时,其向后发射的外传信号(有害信号),其衰减的方式相当于发散声场(即点声源,也即发散声束声源),其声能传输能力与传输距离的平方成反比,即每增加一倍传输距离,声能减少6dB(分贝),也就是说,外传信号的衰减是柱形声场的L2倍,L2是超声波外传的路程。
附图说明
附图1是本实用新型锥体形超波导振动子结构示意图。
附图2是附图1的左视图。锥体形超波导振动子截面为方形结构。
附图3是附图1的左视图。锥体形超波导振动子截面为圆形结构。
1:锥体形超波导振动子的锥形的顶部。
2:锥体形超波导振动子的锥形的小端。
3:锥体形超波导振动子的锥形的大端。
4:截面为方形锥体形超波导振动子。
5:截面为圆形锥体形超波导振动子。
d为方形锥体小端边长或圆形锥体小端直径。
D为方形锥体大端底边长或圆形锥体大端底直径。
h为锥体厚度,即沿锥体方向的长度。
具体实施方式
实施例1
一种用于超声波换能器的锥体形超波导振动子,其锥体截面为方形。
锥型声场的原理,是采用锥体形状的超波导振动子,并根据不同口径和不同测量位置,精确计算出其声场的焦距,并由其焦距反推出锥体形超波导振动子的锥体几何尺寸,即,锥体小端边长d、大端边长D、厚度h(沿锥体方向的长度),进行定制。经过大量的试验和理论计算,锥体形超波导振动子4的一个主要的技术参数为径厚比=锥体小端边长d / 厚度h应该在2.5—3之间。其锥体的锥度为5~20,锥体小端到锥体顶点的距离,按超声波发射换能器到超声波接收换能器的直线距离来计算。
如采用截面为方形锥体形超波导振动子,其小端边长d为10mm,则其发射面积为100 mm2,如接收换能器的接收面积设计为2×10mm2,超声波传输所途径的路程为100mm,其他参数不变则接收点所接收到的声波有效信号能量为柱形振动子1001/2×10/2=50倍。 而在方形锥体形超波导振动子向后(沿椎体的发散方向)同样距离100mm的点上,其他参数不变,其有害信号(外传信号)为柱形振动子的100之一。
实施例2
一种用于超声波换能器的锥体形超波导振动子,其锥体截面为圆形。截面为圆形锥体形超波导振动子5的一个主要的技术参数为径厚比=锥体小端直径d / 厚度h应该在2.5—3之间。其锥体的锥度为5~20,锥体小端到锥体顶点的距离,按超声波发射换能器到超声波接收换能器的直线距离来计算。
如采用圆锥体超波导振动子,其锥体小端直径d为10mm,则其发射面积为π×52mm2,如接收换能器的接收面积设计为1×8mm2,超声波传输所途径的路程为100mm,其他参数不变,则接收点所接收到的声波有效信号能量为柱形振动子1001/2×π×52/1=78.5倍。 而在圆形锥体形超波导振动子向后(沿椎体的发散方向)同样距离100mm的点上,其他参数不变,其有害信号(外传信号)为柱形振动子的100之一。
Claims (7)
1.一种超声波换能器锥体形超波导振动子,其特征在于,振动子形状为锥体形状。
2.按照权利1所述的超声波换能器锥体形超波导振动子,其特征在于,所述的锥体形超波导振动子,可以是其截面为圆形的圆锥体超波导振动子,或可以是其截面为方形的方形锥体超波导振动子。
3.按照权利1或2所述的超声波换能器锥体形超波导振动子,其特征在于,所述方形锥体形超波导振动子的小端边长d / 厚度h为2.5~3。
4.按照权利1或2所述的超声波换能器锥体形超波导振动子,其特征在于,所述圆锥体超波导振动子的小端直径d / 厚度h为2.5~3。
5.按照权利1或2所述的超声波换能器锥体形超波导振动子,其特征在于,其锥体的锥度为5~20,锥体小端到锥体顶点的距离,按超声波发射换能器到超声波接收换能器的直线距离来计算。
6.按照权利3所述的超声波换能器锥体形超波导振动子,其特征在于,其锥体的锥度为5~20,锥体小端到锥体顶点的距离,按超声波发射换能器到超声波接收换能器的直线距离来计算。
7.按照权利4所述的超声波换能器锥体形超波导振动子,其特征在于,其锥体的锥度为5~20,锥体小端到锥体顶点的距离,按超声波发射换能器到超声波接收换能器的直线距离来计算。
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CN102883252A (zh) * | 2011-07-14 | 2013-01-16 | 上海一诺仪表有限公司 | 超声波换能器锥体形超波导振动子 |
CN106556440A (zh) * | 2017-01-24 | 2017-04-05 | 厦门大学 | 一种时差法超声波流量计 |
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