一种声频定向换能器制造技术

本实用新型专利技术提供了一种声频定向换能器，包括上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、第一电极、压电薄膜、第二下层阵列、第二电极、紧固单元和真空盒；上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、压电薄膜和第二下层阵列依次层叠设置，并通过紧固单元固定在真空盒上；第一电极和第二电极用于将外部电压分别加载到第一下层阵列和第二下层阵列；第一下层阵列和第二下层阵列均包括多个圆形阵列单元排列成正六边形形状；上层阵列中包括多个圆形阵列单元排列成正六边形形状；下层阵列中相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线与上层阵列中相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度的比值为1：(0.8～1.2)。本实用新型专利技术的声频定向换能器兼具高声压级与良好的指向性。

【技术实现步骤摘要】
一种声频定向换能器
本技术涉及一种具有声频定向功能的压电式换能器阵列结构。
技术介绍
声频定向技术从20世纪60年代开始受到越来越多研究学者的关注，并逐渐应用于人们的工作与生活之中。由于空气并非严格意义上的理想气体，对于响度很大或者频率很高的声波，传统的小振幅声学理论已不适用。根据声学参量阵的理论，当两列具有明显指向性，频率分别为f1，f2的超声波沿同一方向传播时，会发生相互作用产生2f1，2f2，(f1+f2)，(f1-f2)等频率的声波。随着声波不断向前传播，高频率的声波会较快地衰减完毕，而低频率的声波衰减较慢从而可以传播较长距离，由此实现指向性可听声波的传播。在声频定向系统中，信号处理与换能器的设计为核心组成部分，决定着指向性声波的输出性能。近几十年对于信号处理的研究较多，经过反复测试与改进，研究人员已经开发出效率高，失真度低的优化算法，能够满足实际应用的要求。而对于压电换能器的研究进展相对缓慢，制约着声频定向扬声器的性能提升与应用推广。因此，技术高性能的声频定向换能器具有重要的意义。以上
技术介绍
内容的公开仅用于辅助理解本技术的技术构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述
技术介绍
不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种声频定向换能器，兼具高声压级与良好的指向性。本技术的技术问题通过以下的技术方案予以解决：一种声频定向换能器，包括上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、第一电极、压电薄膜、第二下层阵列、第二电极、紧固单元和真空盒；所述上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、压电薄膜和第二下层阵列依次层叠设置，并通过紧固单元固定在真空盒上，所述真空盒内部对应所述压电薄膜的区域形成有空腔，用于为所述压电薄膜提供负压环境；所述第一电极设置在所述第一下层阵列上，所述第二电极设置在所述第二下层阵列上，所述第一电极和第二电极用于将外部电压分别加载到所述第一下层阵列和所述第二下层阵列；所述第一下层阵列和第二下层阵列为相同结构，包括多个圆形阵列单元排列成正六边形形状，所述圆形阵列单元的直径a1在17.8～26.8mm的范围内，相邻圆形阵列单元的间距为a1+5mm；所述上层阵列中包括多个圆形阵列单元排列成正六边形形状，相邻圆形阵列单元的间距d2在3.42～6.8mm的范围内，圆形阵列单元的直径为d2-2mm；下层阵列中的相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度与所述上层阵列中的相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度的比值为1：(0.8～1.2)。本技术与现有技术对比的有益效果是：本技术的声频定向换能器，通过两个下层阵列叠加紧固压电薄膜，且下层阵列中的各阵列单元为特定尺寸范围的圆形阵列单元且按照特定尺寸排列成正六边形，同时通过层间隔框叠加一上层阵列，且上层阵列中的各阵列单元为特定尺寸范围的圆形阵列单元且按照特定尺寸排列成正六边形，这样，下层阵列结构为换能器获得较高声压级，上层阵列结构为换能器获得较好指向性，两者协调配合最终使得下层阵列和上层阵列复合而成的阵列结构既具有声压级高的特点，也具有指向性好的特点。【附图说明】图1是本技术具体实施方式中的压电换能器的结构示意图；图2a是本技术具体实施方式的复合式阵列中下层阵列的结构示意图；图2b是本技术具体实施方式的复合式阵列中上层阵列的结构示意图；图3a是本技术具体实施方式中模拟的下层阵列单独工作的有限元模型图；图3b是本技术具体实施方式中模拟的上层阵列单独工作的有限元模型图；图3c是本技术具体实施方式中模拟的复合阵列工作的有限元模型图；图4是本技术具体实施方式中三种阵列的输出声压级的模拟结果对比示意图；图5是本技术具体实施方式中三种阵列的指向性的模拟结果对比示意图；图6是本技术具体实施方式中测试换能器时的测试平台结构示意图；图7是本技术具体实施方式中下层阵列与复合阵列的声压级对频率响应的测试结果与模拟结果；图8是本技术具体实施方式中下层阵列与复合阵列的指向性的测试结果。【具体实施方式】下面结合具体实施方式并对照附图对本技术做进一步详细说明。本具体实施方式中提供一种声频定向换能器，包括上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、第一电极、压电薄膜、第二下层阵列、第二电极、紧固单元和真空盒。其中，上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、压电薄膜和第二下层阵列依次层叠设置，并通过紧固单元固定在真空盒上，真空盒内部对应压电薄膜的区域形成有空腔，用于为压电薄膜提供负压环境。一般地，可通过真空盒另一端设置真空阀，通过真空阀对空腔中抽真空从而为真空盒上方的压电薄膜提供负压环境。第一电极设置在第一下层阵列上，第二电极设置在第二下层阵列上，第一电极和第二电极用于将外部电压分别加载到第一下层阵列和第二下层阵列，进而为所夹持的压电薄膜的上下两面施加电压信号。第一下层阵列和第二下层阵列为相同结构，包括多个圆形阵列单元排列成正六边形形状，圆形阵列单元的直径a1在17.8～26.8mm的范围内，相邻圆形阵列单元的间距为a1+5mm。上层阵列中包括多个圆形阵列单元排列成正六边形形状，相邻圆形阵列单元的间距d2在3.42～6.8mm的范围内，圆形阵列单元的直径为d2-2mm。下层阵列中的相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度与上层阵列中的相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度的比值为1：(0.8～1.2)。具体地，在由该双下层阵列与上层阵列组成的复合阵列结构中，换能器的输出声压级主要受下层阵列的结构影响，指向性主要受上层阵列的结构影响。为获得最大的输出声压级，换能器的工作频率应与换能器的固有频率相接近。对于薄圆片形的阵列单元，其固有频率f与单元半径r存在如下关系：其中，Y,σ,ρ分别为压电薄膜的杨氏模量，泊松比与密度，其数值可实测得到。一般地，对于工作频率为40-60kHz的换能器阵列，经计算得到圆形阵列单元半径r为8.9-13.4mm，也即直径a1在17.8～26.8mm的范围内，可实现较大的输出声压级。而在圆形阵列单元的直径确定的情形下，设置相邻圆形阵列单元的间距d1为a1+5mm可使得阵列单元较为合适地分布排列开。为获得较好的指向性，经研究上层阵列的阵列单元之间的间距d2与声波波长λ的比值应在0.6-0.8之间。对于在空气中传播的频率为40-60kHz的声波，其波长为5.7-8.5mm，由此设置间距d2的取值为3.42-6.80mm。在相邻圆形阵列单元之间的间距确定的情形下，设置圆形阵列单元的直径为d2-2mm，可使得圆形阵列单元尺寸合适，且分布排列也较适宜。将下层阵列中的相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度与上层阵列中的相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度的比值设置为1：(0.8～1.2)，即下层阵列为数量较少的大尺寸、大间距阵元排列，上层阵列为数量较多的小尺寸、小间距阵元排列，且排列后的阵列分布的面积较接近，从而可使得上下层阵列均得到有效利用，最终获得声压级高、指向性好的复合阵列结构。需说明的是，上层阵列和下层阵列中圆形阵列单元的具体数量没本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种声频定向换能器，其特征在于：包括上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、第一电极、压电薄膜、第二下层阵列、第二电极、紧固单元和真空盒；所述上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、压电薄膜和第二下层阵列依次层叠设置，并通过紧固单元固定在真空盒上，所述真空盒内部对应所述压电薄膜的区域形成有空腔，用于为所述压电薄膜提供负压环境；所述第一电极设置在所述第一下层阵列上，所述第二电极设置在所述第二下层阵列上，所述第一电极和第二电极用于将外部电压分别加载到所述第一下层阵列和所述第二下层阵列；所述第一下层阵列和第二下层阵列为相同结构，包括多个圆形阵列单元排列成正六边形形状，所述圆形阵列单元的直径a1在17.8～26.8mm的范围内，相邻圆形阵列单元的间距为a1+5mm；所述上层阵列中包括多个圆形阵列单元排列成正六边形形状，相邻圆形阵列单元的间距d2在3.42～6.8mm的范围内，圆形阵列单元的直径为d2‑2mm；下层阵列中的相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度与所述上层阵列中的相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度的比值为1：(0.8～1.2)。

【技术特征摘要】
1.一种声频定向换能器，其特征在于：包括上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、第一电极、压电薄膜、第二下层阵列、第二电极、紧固单元和真空盒；所述上层阵列、层间隔框、第一下层阵列、压电薄膜和第二下层阵列依次层叠设置，并通过紧固单元固定在真空盒上，所述真空盒内部对应所述压电薄膜的区域形成有空腔，用于为所述压电薄膜提供负压环境；所述第一电极设置在所述第一下层阵列上，所述第二电极设置在所述第二下层阵列上，所述第一电极和第二电极用于将外部电压分别加载到所述第一下层阵列和所述第二下层阵列；所述第一下层阵列和第二下层阵列为相同结构，包括多个圆形阵列单元排列成正六边形形状，所述圆形阵列单元的直径a1在17.8～26.8mm的范围内，相邻圆形阵列单元的间距为a1+5mm；所述上层阵列中包括多个圆形阵列单元排列成正六边形形状，相邻圆形阵列单元的间距d2在3.42～6.8mm的范围内，圆形阵列单元的直径为d2-2mm；下层阵列中的相距最远的两个圆形阵列单元之间的连线的长度与所述上层阵列中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王进，宋俊东，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：新型
国别省市：广东,44