一种高指向性超声换能器阵列制造技术

本发明专利技术属于电声换能器领域，特别涉及一种高指向性超声换能器阵列，阵列由若干水平的线阵从上而下依次排列而成，各线阵由若干超声换能器阵元从左往右依次排列组成，同一线阵中，左右相邻的两个超声换能器阵元之间呈相切设置，阵列内部的各超声换能器阵元不仅与紧邻的上方线阵中的相邻两个超声换能器阵元同时相切，还与紧邻的下方线阵中的相邻两个超声换能器阵元同时相切，其中，紧邻的上方线阵中相邻两个超声换能器阵元对称位于该超声换能器阵元的左上方和右上方，紧邻的下方线阵中相邻两个超声换能器阵元对称位于该超声换能器阵元的左下方和右下方。

A high directivity ultrasonic transducer array

【技术实现步骤摘要】
一种高指向性超声换能器阵列
本专利技术属于电声换能器领域，特别涉及一种高指向性超声换能器阵列。
技术介绍
电声设备是一种将电信号转换成声音信号的设备，是帮助人类获得声音信息的重要工具，在日常生活中具有不可替代的作用。但是传统的电声设备，如音箱、手机外放等，发散出来的声音不具有指向性，声波向各个方向传播，声音会覆盖到设备周边的任何位置，这样会引发噪声污染和隐私泄露的问题。声频定向系统的核心部件是由多个超能换能器阵元组成的换能器阵列，音频信号通过该阵列调制到超声波中，超声波在空气中自解调出具备高度指向性的可听声束。由于超声波具有很高的指向性，而可听声波又集中在超声波的传播路径上，因此将可听声波被限制在高指向性的超声波区域内，区域外几乎听不见声音。这样声频定向系统就完成了可听声的高指向性传播，解决了噪声污染和隐私泄露问题。声频定向系统的指向性由超声换能器阵列的指向性决定。造成换能器阵列的指向性主要由阵列排布方式、换能器阵元的个数、阵元之间的间距、超声波频率决定。由于超声换能器的阵元个数受限于阵列的面积和成本不可能无限制增大；超声波频率的选择由于受制于其在空气中的衰减，只能选择某一个合适的范围；换能器阵元之间的间距受制于换能器的结构尺寸，其改善的空间也有限。但是改善超声换能器阵元的排布方式一种提高声场指向性的方式。本专利主要目的是使用仿真和解析的方法提出一种高指向性超声换能器阵列的排布方法。
技术实现思路
一种高指向性超声换能器阵列，阵列由若干水平的线阵从上而下依次排列而成，各线阵由若干超声换能器阵元从左往右依次排列组成，同一线阵中，左右相邻的超声换能器阵元之间呈相切设置，设线阵的数量为n条，n为大于1的整数，即从上往下依次为线阵1、线阵2……线阵n，就依次从线阵1、线阵2……至线阵n-1而言，每条线阵中除了最左端或最右端的超声换能器阵元外，其他各超声换能器阵元均朝左下方和朝右下方同时相切于与其所在的线阵紧邻的下方线阵中的相邻两个超声换能器阵元，就依次从线阵2、线阵3……至线阵n而言，每条线阵中除了最左端或最右端的超声换能器阵元外，其他各超声换能器阵元均朝左上方和朝右上方同时相切于与其所在的线阵紧邻的上方线阵中的相邻两个超声换能器阵元，阵列中各超声换能器阵元规格相同，各超声换能器阵元为圆形形状，半径为r，上述“相切”是指的，相应两个超声换能器阵元的圆心之间的间距不大于2.2r，作为优选：各线阵中超声换能器阵元的数量相等，各线阵中超声换能器阵元的数量与线阵数量的比值(简称“长宽比”)为0.54～0.64，进一步地，该比值为0.6；作为优选：阵列在整体形状上接近矩形，但不是真正的矩形，要将该阵列调整为规整的矩形的话，可以通过增加阵元数量来实现，也可以通过减少阵元数量来实现(增加或减少阵元时，以半个阵元为单位进行)：设M1为阵列中的阵元总数，M2为(采用“增加”措施)将阵列形状调整为矩形时所需要添加的最少阵元数目，M3为(采用“减少”措施)将阵列形状调整为矩形时所需要减少的最少阵元数目，其中，M2+M3≤0.1×M1。本专利技术的超声换能器阵列在不改变其他因素的前提下，相邻的两列线阵之间采用阵元交错相切的方法，并且设定了最优的阵列的“长宽比”，从而达到提高超声换能器阵列指向性的目的。附图说明图1为本申请实施例的阵列分布示意图，图2为规整矩形形状的阵列分布示意图，图3为用来组成图1或图2中阵列的线阵的示意图，图4(1)为有限元对附图2的阵列的声压级仿真图，图4(2)为图4(1)的声压的指向性图，图5(1)为有限元对附图1的阵列的声压级仿真图，图5(2)为图5(1)的声压的指向性图。具体实施方式需要说明的是，本专利技术的描述中使用的词语“水平”、“上”、“下”、“左”、“右”指的是附图中的状态或方向，“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向，这些仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的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专利技术的限制。对于定向声频系统，一定要有较好的声频指向性，良好的声频指向性表现在：系统不能有太多的副瓣和栅瓣，而且副瓣和栅瓣的强度要尽量低；主瓣的大小要根据实际应用条件确定，但是主瓣的强度要尽可能高。本实施例提出的阵列如图1所示，可以看作是由两个图3所示的矩形阵列交错组成(设这两个图3所示的矩形阵列分别为A、B)，对A、B建立空间球坐标系，并且对于A、B两个阵列用相同的球坐标系来确认方位，相对于空间球坐标系内的相位参考点(相当于“原点”的概念)，A、B两个矩形阵列在球标系内的声压各为式中mA，mB是A，B阵列中的阵元总数，α和θ是相位参考点在声场中相对于计算点的球坐标系表达参数，ω是相位。根据阵列的指向性的叠加原理，本文所提的阵列的指向性函数可以写为，α0和θ0是相位参考点在声场中心。图1和图2可以看作是由4条水平线阵组成的复合阵，图3可以看作是由2条水平线阵组成的复合阵。而对于附图1至附图3中形状为矩形或接近矩形的平面矩阵，阵列指向性函数可以用乘法法则来计算，表述为，D2(α,θ,ω)＝D21(α,θ,ω)·D22(α,θ,ω)式中，D21、D22分别所指的是矩形或接近矩形的面阵D2在横向、纵向这两个方向上的线阵的指向性：这里，M，N分别为阵列横向和纵向的阵元数，例如附图1中的阵列横向阵元数M为8个、纵向阵元数N为4个；d1是阵列中横向相邻两个阵元间的圆心距映射到水平方向的距离，d2是阵列中纵向相邻两个阵元间的圆心距映射到竖直方向的距离，例如在图2中，d1＝d2＝2r，而在图1中，d2<d1＝2r，综上，阵列的指向性函数为由于图1和图2中的阵列可以分别看作是由两个图3所示的矩形阵列交错组成，将式(2)中的阵列的指向性函数带入到式(1)中，经过计算，本专利提出的如图1所示的共线两行阵元之间采用交错相切的阵列排布方法，在指向性上要优于如图2所示的直角矩形阵列，而实际的实验结果如附图4、附图5所示，也证实了这一点；对于图1所示的阵列的排列方式，在共线方向m个阵元和错开相切方向n个阵元，并计算得出，当阵列的长宽比，即m/n＝0.6左右时，这种交错排列的阵列有最好的指向性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高指向性超声换能器阵列，其特征在于：所述的阵列由若干水平的线阵从上而下依次排列而成，各所述线阵由若干超声换能器阵元从左往右依次排列组成，同一所述线阵中，左右相邻的两个所述超声换能器阵元之间呈相切设置，/n设所述线阵的数量为n条，n为大于1的整数，即从上往下依次为线阵1、线阵2……线阵n，/n就依次从线阵1、线阵2……至线阵n-1而言，每条所述线阵中除了最左端或最右端的所述超声换能器阵元外，其他各所述超声换能器阵元均朝左下方和朝右下方同时相切于与其所在的所述线阵紧邻的下方线阵中的相邻两个所述超声换能器阵元，/n就依次从线阵2、线阵3……至线阵n而言，每条所述线阵中除了最左端或最右端的所述超声换能器阵元外，其他各所述超声换能器阵元均朝左上方和朝右上方同时相切于与其所在的所述线阵紧邻的上方线阵中的相邻两个所述超声换能器阵元，/n所述阵列中各所述超声换能器阵元规格相同，且为圆形形状，半径为r，所述的“相切”是指相应两个所述超声换能器阵元的圆心之间的间距不大于2.2r。/n

【技术特征摘要】
1.一种高指向性超声换能器阵列，其特征在于：所述的阵列由若干水平的线阵从上而下依次排列而成，各所述线阵由若干超声换能器阵元从左往右依次排列组成，同一所述线阵中，左右相邻的两个所述超声换能器阵元之间呈相切设置，
设所述线阵的数量为n条，n为大于1的整数，即从上往下依次为线阵1、线阵2……线阵n，
就依次从线阵1、线阵2……至线阵n-1而言，每条所述线阵中除了最左端或最右端的所述超声换能器阵元外，其他各所述超声换能器阵元均朝左下方和朝右下方同时相切于与其所在的所述线阵紧邻的下方线阵中的相邻两个所述超声换能器阵元，
就依次从线阵2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王焕焕，徐金国，葛斌，
申请(专利权)人：常州元晶电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32