通过具有空间变化频率和带宽的声音发射孔生成空间编码声场的传感器和方法技术

本发明专利技术涉及一种用于生成和/或接收空间结构化声场的换能器，包括：总孔(10)，其生成和/或接收声场，其中总孔包括多个子孔(12、14、16、18)，其中子孔中的每一个被配置成接收和/或生成具有特定频谱的超声波，其中子孔中的至少两个的特定频谱不同，并且其中总孔的所有子孔连接到同一电子致动通道。接到同一电子致动通道。接到同一电子致动通道。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过具有空间变化频率和带宽的声音发射孔生成空间编码声场的传感器和方法


[0001]本专利技术涉及用于空间频率编码声场的声学换能器、使用这种声学换能器检测超声波的方法以及制造用于空间频率编码声场的声学换能器的方法。

技术介绍

[0002]如今，超声在许多
中具有根本的重要性，包括作为一种成像方法、作为各种应用中的传感器(例如，用于测量流速或距离)或经由超声能量将能量定向引入材料或组织。
[0003]为了生成和检测声音，特别是超声，使用换能器，其通常基于电信号(电压或电流)以声压的形式输出声信号，或者相反，基于经由换能器接收的声学信号生成电信号。例如，压电元件可以用于此目的。根据其几何形状(例如直径、材料厚度)和/或其结构或其他材料参数，每个声学换能器生成具有自然焦点、特定频率和特定带宽的限定声场。
[0004]由一个元件组成的简单声学换能器通常具有高度对称的连续变化的声场。声压的强烈局部变化只出现在近场中。在远场中，声压通常随着距离的增加而单调下降。这种情况的例外是所谓的旁瓣，根据特定角度的孔大小与波长之间的关系，旁瓣在声场中产生衍射诱导的局部最大值。利用单元件传感器，声场中依赖于对象或介质的变化最初可以被一维地检测到，基本上沿着声束或形成的主瓣。
[0005]如果期望生成结构化的声场，那么可以使用透镜或弯曲的孔，例如，这样可以将声音集中在一个固定的点上。然而，在这一点上，声场的变化或多样性与没有透镜或聚焦的声场没有明显不同。
[0006]使用所谓的阵列技术可以进一步结构化声场。这些阵列通常由周期性布置、单独控制的换能器元件组成。它们应该尽可能相同，并且以相同的频率发射，以便能够合成或分解来自单独元件的声场。通过这些元件彼此相对的时间或相位延迟控制，声场可以例如聚焦到一个点上或以一个角度扫过。以这种方式，可以电子方式实现声场的聚焦。单独延迟是基于几何模型计算的。通过随时间改变控制，声场可以动态改变。然而，为了获得良好的分辨率，需要大的阵列，因此需要大量的技术工作，特别是由于控制和信号采集需要大量的通道和连接。
[0007]同样，阵列也可以用于空间分配检测到的信号，即获得关于表面或体积的信息，例如用于三维成像、三维表面检测、三维距离检测或材料/组织表征。然而，缺点仍然是随着分辨率的增加，阵列的制造成本和复杂性非常高，因为对于每个传感器，即阵列的每个元件，需要独立的发送
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接收通道。此外，尽管集成密度很高，但空间要求非常高。
[0008]此外，所谓的声全息图或相位板可用于生成生结构化声场，其中局部分辨超声波的复杂时间延迟或相移被拓扑编码。这样，例如，可以在流体中形成结构化的超声场。然而，它们不适合空气传播的声音或低频范围，并且衰减和多次反射会带来问题。

技术实现思路

[0009]根据本专利技术，提出了具有独立权利要求特征的声学换能器、声学换能器的制造方法和使用这种声学换能器的检测方法。有利的实施例是从属权利要求和以下描述的主题。
[0010]特别地，提出了一种用于生成和/或接收空间结构化声场的声学换能器，其包括总孔，总孔生成和/或接收声场，总孔包括多个子孔，子孔中的每一个被设置成接收和/或生成具有特定频谱的超声，其中子孔中的至少两个子孔的特定频谱彼此不同，并且其中总孔的所有子孔连接到同一电子驱动通道。由于单一的公共电子驱动通道，声学换能器可以在非常小的安装空间中以低成本实现，而不必牺牲声场的空间信息。超声传感器仅使用一个电发送
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接收通道可以将成本降低100到1000倍，同时将测量范围增加3倍。此外，这种不同类型的传感器适用于所有声学范围，例如空气传播的声音、结构传播的声音、水中的声音、组织中的声音等。
[0011]多个子孔可以基本上分布在垂直于声场传播方向的平面中。不同频谱的子孔在总孔上的分布式布置导致空间信息在频率上编码到信号中。在本文中，术语“平面”还可以包括沿着传播方向的预定侧向截面，例如如果使用不同高度或厚度的子孔，或者如果例如孔整体上具有曲率，即它是弯曲的平面。
[0012]使用子孔生成不同频谱的一种方式是提供具有至少部分不同直径的子孔。在许多实施例中，孔的直径，例如压电或电容驱动膜的直径，至少部分地决定了所生成的声音频率。
[0013]优选地，电驱动通道可以被布置为向子孔输出具有预定频谱的交变信号(例如交变电流信号或交变电压信号)，例如具有高带宽的短脉冲，该交变信号激励每个子孔的至少一个可移动或可振荡元件振荡。根据技术设计，各种各样的装置可以用作可移动元件；虽然由此供应给子孔的交变信号对于每个子孔来说最初是相同的，但是由于子孔的不同设计和尺寸，仍然会产生几个不同的频谱。
[0014]在一个可能的实施例中，总孔可以由压电元件例如压电陶瓷或压电复合材料形成，其中子孔由压电元件的不同厚度的区域形成，这些区域可以另外通过切口整体或部分地彼此分离。在这种情况下，压电元件可以优选地以厚度模式操作。以这种方式，获得了具有不同生成频率的区域的单件元件，其可以容易地制造并集成到其他部件中。
[0015]根据另一实施例，总孔可以形成为压电或电容式微机械换能器，其中多个子孔形成为多个腔或布置在腔上方的换能器的膜，并且其中膜具有至少部分不同的直径。这些微系统元件允许特别小的设计和与其他元件的简单集成制造，因此可以用于各种传感器。
[0016]在替代实施例中，总孔可以由高带宽单个声学换能器连同用于单个声学换能器的无源附着模块形成，无源附着模块包括形成多个子孔的不同频率相关衰减的区域。因此，子孔的不同频谱由单个声学换能器的局部调制生成，其中这些区域可以具有至少部分不同的频率相关衰减曲线。
[0017]另一种可能性是通过高带宽的单独声学换能器形成子孔，单独换能器中的每一个之前有电子滤波器，该电子滤波器将单独换能器的带宽限制到特定的频谱。例如，在这种变型中，特别容易使用以类似于阵列的方式布置的相同的单独声学换能器，但是这些单独声学换能器都经由一个电子驱动通道接触在一起。不同的频率由滤波产生，因此空间频率编码由滤波产生。
[0018]在另一个实施例中，总孔可以由无源基体形成，该无源基体具有用于多个单独换能器的凹部，多个单独换能器形成多个子孔。在模块化制作中，这里可以通过灵活地适配或更换在每种情况下使用的元件，由预制的一组匹配的单独换能器和基体的匹配凹部形成多个声场。
[0019]此外，换能器装置也可以由前述换能器中的每一个形成，其包括多个周期性布置的根据前述实施例之一的换能器，每个换能器具有独立的电子驱动通道并与其连接。以这种方式，再次形成阵列，然而，与常规的换能器阵列相比，该阵列需要相当少的复杂性和努力，特别是对于驱动或检测通道而言。
[0020]还提出了一种制造如先前所描述的声学换能器的方法，其中首先预定总孔的期望空间声场分布，然后可以从期望声场分布获得形成总孔的多个子孔的参数，其中参数的获得可以基于例如参数的分析计算、参数的数值计算或参数的模拟方法。因此，可以形成特定结构化的声场，例如本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于生成和/或接收空间结构化声场的声学换能器，包括：总孔(10，20，30，52，60，70)，其生成和/或接收所述声场，其中所述总孔包括多个子孔(12，14，16，18；22，24，26，28；36a，36b；40a，40b，40n；54，56；62，64)，其中所述子孔中的每一个被布置成接收和/或生成具有特定频谱的超声，其中所述子孔中的至少两个子孔的特定频谱彼此不同，并且其中所述总孔的所有子孔连接到同一电子驱动通道(38，39；48；58；80，82，84)。2.根据权利要求1所述的声学换能器，其中所述多个子孔基本上分布在垂直于所述声场的传播方向的平面中。3.根据权利要求1或2所述的声学换能器，其中所述多个子孔具有至少部分不同的直径。4.根据前述权利要求中任一项所述的声学换能器，其中所述电驱动通道被布置成向所述子孔输出具有预定频谱的交变信号，所述交变信号激励每个子孔的至少一个可移动元件振动。5.根据前述权利要求中任一项所述的声学换能器，其中所述总孔由压电元件(30)形成，并且其中所述子孔由所述压电元件的具有不同厚度的区域(36a，36b)形成。6.根据权利要求1至4中任一项所述的声学换能器，其中所述总孔由压电或电容式微机械声换能器形成，并且其中所述多个子孔由所述声学换能器的多个膜(12，14，16，18；22，24，26，28)形成，并且其中所述膜至少部分地具有不同的直径。7.根据权利要求1至4中任一项所述的声学换能器，其中所述总孔由高带宽单个声学换能器(50)以及用于所述单个声学换能器的无源附着模块(52)形成，所述无源附着模块包括形成所述多个子孔的不同频率相关衰减的区域(54，56)。8.根据权利要求1至4中任一项所述的声学换能器，其中所述子孔由高带宽的单独声学换能器(40a，40b，40c，...，40n)形成，其中所述单独声学换能器中的每一个之前是电子滤波器(42a，42b，42c...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂芬，
申请(专利权)人：弗劳恩霍夫应用研究促进协会，
类型：发明
国别省市：