具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器制造技术

本发明专利技术涉及一种具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，其结构是在壳体的辐射端面上设置有能够改变振动模态和声匹配的穿孔匹配板，在穿孔匹配板上层叠设置有可产生平面径向振动模态的压电元件，以压电元件为激励源，可以激发穿孔匹配板产生弯曲振动并辐射超声波；本发明专利技术不但改善了传统的气介超声换能器的声匹配问题，而且可以增大带宽，改善换能器的声波辐射，提高换能器的分辨率和作用范围。

Broadband gas medium ultrasonic transducer with phononic crystal matching and radiation composite structure

The invention relates to a broadband GAS-mediated ultrasonic transducer with a phononic crystal matching and radiating composite structure. The structure of the transducer is that a perforated matching plate capable of changing the vibration mode and the sound matching is arranged on the radiating end face of the shell, and a piezoelectric element capable of generating the plane radial vibration mode is arranged on the perforated matching plate to compress it. The electric element is the excitation source, which can excite the perforated matching plate to produce bending vibration and radiate ultrasonic wave; the invention not only improves the acoustic matching problem of the traditional GAS-mediated ultrasonic transducer, but also enlarges the bandwidth, improves the acoustic wave radiation of the transducer, and enhances the resolution and range of the transducer.

【技术实现步骤摘要】
具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器
本专利技术属于超声换能器
，特别设计一种具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器。
技术介绍
众所周知，在声频范围内，由于声波的频率较低，换能器的尺寸基本上小于声波的波长，因此，换能器的指向性呈现出球型辐射的特点。然而，在超声频范围，情况就不一样了。当频率升高时，声波的波长接近或小于换能器的几何尺寸，此时换能器的辐射声场出现明显的指向性。另一方面，当换能器的频率升高时，声波的折射变得越来越小，声场可以近似看成由许多声线组成的，就像光学中的光线一样。在空气中发射和接收超声波，以及以气体为耦合介质进行超声检测是检测声学的一个重要领域。气介超声检测的优点主要表现在以下两个方面：一是其非接触检测方式，适合于无法使用水或其它耦合剂的许多应用领域；二是气体中声波波长短，在气体中进行成像或测距具有更高的分辨率和精度。在气介超声换能器的设计和研制过程中，必须考虑超声波的衍射和吸收对频率的依赖性。例如，如果超声的波长和需要探测的物体的尺寸比较接近，由于声波的衍射而形成的声影会影响物体的识别。在这些情况下，必须提高超声波的频率。另一方面，当超声的频率提高时，空气中超声的吸收随之增大，导致超声的可探测距离受到影响。因此，在实际应用中，必须兼顾到超声波的工作频率与探测距离之间的对应关系。根据众多的理论分析以及实际经验，针对空气中的超声波应用，人们常常应用所谓的半值距离的概念。半值距离定义为超声波的声压降到初始值的一半时所传播的距离。很显然，当换能器的频率升高时，其半值距离将减小。表1列出了一些比较常用的半值距离及其对应的频率。表1.空气中超声波传播的半值距离及其对应的频率频率(kHz)半值距离(m)20105031002随着超声波技术的发展，超声波空气应用技术获得了广泛的应用。与空气介质对应的超声波应用技术主要包括超声测距、超声物体识别、交通流量的超声波检测、超声波防盗监控、风速的超声测量、工业机器人、料位监测、超声波除尘、干燥以及超声凝聚等等。在所有的气介超声波应用技术中，气介超声换能器是一个关键的部分。相对于其他接触类超声波换能器而言，气介超声换能器具有非接触、无需耦合剂、容易实现实时在线检测等优点。但由于空气介质本身特有的特性阻抗低以及介质声吸收强等特点，传统的气介超声换能器具有一些固有的缺陷，如气介超声波换能器的阻抗失配、电声效率低、频带窄、分辨率低、空气中的声波吸收大以及声波作用范围小等等。为了克服或者改善这些与空气介质中的超声波应用技术相关的特有的技术问题，人们对气介超声波换能器进行了许多研究，也发展了多种具有不同的换能器材料、工作模态、不同形式和结构的气介超声波换能器，如压电陶瓷气介超声波换能器、激光超声波检测换能器、电磁超声波换能器、静电超声波换能器以及微加工超声波换能器等等。目前，在气介超声换能器中，压电陶瓷换能器仍然是应用最为广泛的一种，因为气介式压电陶瓷超声换能器能够在较为恶劣的环境下工作，而且结构简单、激励电路简单、性能可靠以及不受应用环境的影响。压电陶瓷气介超声换能器不仅可以用于产生超声，而且可以用来接收超声。压电陶瓷气介超声换能器的应用很多，其原因之一在于超声的频率位于人耳的听觉范围以外，第二个原因在于超声的波长较短，因此可以用较小尺寸的换能器得到比较好的指向性。截至目前，气介式压电陶瓷超声换能器中最主要的包括叠片式弯曲换能器、径向振动圆环型换能器以及由纵向振动夹心式换能器与弯曲振动板组成的模式转换型大功率气介超声换能器。叠片式弯曲振动超声换能器包括双叠片以及三叠片。此类结构的气介超声波换能器结构简单，在超声及水声领域获得了比较广泛的应用，但精确的理论分析较为复杂。对于气介式压电陶瓷超声换能器，由于压电陶瓷换能器的声阻抗与气体的声阻抗相差甚远，因而存在严重的阻抗失配问题，从而导致换能器的辐射效率降低、频带窄、检测分辨率低等问题。为了改善声匹配，提高气介式超声换能器的辐射效率，人们采用了多层匹配板以及压电复合材料换能器等等。对于多层匹配板换能器，由于声波的多次反射以及匹配材料的选择等问题，限制了其广泛的应用。对于压电复合材料换能器，尽管可以在一定程度上改善换能器的声匹配，但换能器的制作加工工艺较为复杂，导致换能器的成本升高。另外，由于非压电陶瓷材料的加入，降低了换能器的有效机电耦合系数以及换能器的辐射功率，因而影响了换能器的作用距离。
技术实现思路
为了克服现有的超声换能器所存在不足，本专利技术提供了一种具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，其可以增大带宽，改善换能器的声波辐射，提高换能器的分辨率和作用范围。同时，本专利技术还提供了一种用上述具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器实现的宽带气介超声换能方法。本专利技术所采用的技术方案是：该具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，包括壳体1，在壳体1的辐射端面上设置有能够改变振动模态和声匹配的穿孔匹配板2，在穿孔匹配板2上层叠设置有可产生平面径向振动模态的压电元件3，以压电元件3为激励源，可以激发穿孔匹配板2产生弯曲振动并辐射超声波。进一步限定，所述穿孔匹配板2上开设有圆孔，且其穿孔匹配板2的厚度不大于穿孔匹配板2直径的1/10，开孔率为5％～70％。进一步限定，所述压电元件3为厚度极化的压电圆盘或为厚度极化的压电圆环或者为径向极化的压电圆环。进一步限定，所述压电圆盘或者压电圆环同心设置在穿孔匹配板2的中心位置且压电圆盘在穿孔匹配板2的振动入射端。进一步限定，所述压电圆盘或压电圆环的直径小于穿孔匹配板2的直径，且满足以下条件：对于基频振动，压电圆盘或压电圆环的直径小于穿孔匹配板2直径的二分之一；对于二次谐频振动，压电圆盘或压电圆环的直径小于穿孔匹配板2直径的三分之一。进一步限定，所述压电圆盘或压电圆环采用发射型压电陶瓷材料或者收发两用型压电陶瓷材料制成；所述穿孔匹配板2为钛合金、铝合金、不锈钢或铜材料制成的穿孔匹配板2。本专利技术还提供了一种用上述的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器实现气介超声换能的方法，具体是：当一定频率和幅度的交流电信号激励压电元件3时，压电元件3产生径向伸缩振动，并带动穿孔匹配板2产生弯曲振动，利用穿孔匹配板2改变了振动模态并向空气介质中辐射超声波，实现声阻抗匹配和声波辐射。进一步说明，所述穿孔匹配板2上开设有圆孔，且其穿孔匹配板2的厚度不大于穿孔匹配板2直径的1/10。进一步说明，所述穿孔匹配板2的穿孔率与权利要求1所述的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器的共振频率和反共振频率成逆向相关。本专利技术的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器采用穿孔板声子晶体结构作为换能器的声阻抗匹配板以及声波辐射板，与现有技术相比，主要具有以下有益效果：(1)本专利技术提出的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器通过在厚度极化的压电圆盘或圆环，或者径向极化的压电圆环的辐射端设置不同形状和不同尺寸孔洞的穿孔匹配板，压电元件是工作于平面径向振动模态，带动弯曲振动穿孔匹配板工作于弯曲振动模态，不但改善了传统的气介超声换能器的声匹配问题，而且可以增大带宽，改善换能器的声波辐射，提高换能器的分辨率和作用范围。(2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，包括壳体(1)，其特征在于：在壳体(1)的辐射端面上设置有能够改变振动模态和声匹配的穿孔匹配板(2)，在穿孔匹配板(2)上层叠设置有可产生平面径向振动模态的压电元件(3)，以压电元件(3)为激励源，可以激发穿孔匹配板(2)产生弯曲振动并辐射超声波。

【技术特征摘要】
1.一种具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，包括壳体(1)，其特征在于：在壳体(1)的辐射端面上设置有能够改变振动模态和声匹配的穿孔匹配板(2)，在穿孔匹配板(2)上层叠设置有可产生平面径向振动模态的压电元件(3)，以压电元件(3)为激励源，可以激发穿孔匹配板(2)产生弯曲振动并辐射超声波。2.如权利要求2所述的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，其特征在于所述穿孔匹配板(2)上开设有圆孔，且其穿孔匹配板(2)的厚度不大于穿孔匹配板(2)直径的1/10，开孔率为5％～70％。3.如权利要求2所述的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，其特征在于所述压电元件(3)为厚度极化的压电圆盘或为厚度极化的压电圆环或者为径向极化的压电圆环。4.如权利要求3所述的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，其特征在于所述压电圆盘或者压电圆环同心设置在穿孔匹配板(2)的中心位置且压电圆盘在穿孔匹配板(2)的振动入射端。5.如权利要求3所述的具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，其特征在于所述压电圆盘或压电圆环的直径小于穿孔匹配板(2)的直径，且满足以下条件：对于基频...

【专利技术属性】
技术研发人员：林书玉，徐洁，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61