超声波换能器制造技术

本发明专利技术公开了一种超声波压电换能器，构成该种换能器的方法，及其应用系统。该换能器包括形状为倒Ｕ形或马鞍形的压电材料，以及使该材料成型和拉伸的装置，该装置与压电材料相配合地工作，以使该换能器可在扩张模式下发射和／或接收超声波振动。本发明专利技术的换能器特别适用于在空气或其它气体或液体内的超过波检测和／或发射。（*该技术在2011年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超声波压电换能器，即，一种构成一种超声波压电换能器的方法，一种发射超声波振动的系统，一种检测超声波振动的系统，一种发射和检测超声波振动的系统，一种发射超声波振动的方法，一种检测超声波振动的方法，以及一种发射和检测超声波振动的方法。一些偶然的场合会产生这样的需要，即，使用频率在100-200kHz范围内、功率需求最小且工作在空气或其它气体内的超声波换能器。小功率需求的要求将大部份现存的换能器排除在外，这些换能器无论其灵敏度多么差都需要大功率激励电源，或者无论其是否需要高的偏置电压它们都难于工作在小功率D.C.系统中。例如，工作在空气或其它气体的超声波换能器(常用于水下)典型地是低灵敏度的和窄带的。这些特点是由于空气或其它气体与换能材料之间存在着很大的声阻抗失配(后者能产生较大的力量但仅有较小的偏移)。它们不是只有较小的偏移(低功率声波输出)，就是只能使材料在一特定的频率上谐振。对于回声传感和信息传输的应用，单一频率是无用的，而是需要尽可能宽的频率范围。已经研究出一些低偏置电压(30V)的静电换能器，但它们是昂贵的且制造起来费时间。本专利技术的目的是提供一种超声波压电换能器。另一目的是提供构造一种压电换能器的方法。其它的目的是提供一种发射超声波振动的系统，一种检测超声波振动的系统，以及一种发射和检测超声波振动的系统。进一步的目的是提供一种发射超声波振动的方法，一种检测超声波振动的方法，以及一种发射和检测超声波振动的方法。本专利技术已揭示具有适当形状的压电体材料可以在某一模式下被激励，该模式在本说明书及其权利要求书中被称为扩张模式或准轴向模式。换能器在扩张模式被激励的含义将在下面详细解释。当一个具有一定弯曲形状的压电材料被激励，在它被拉长时就膨胀，在它被缩短时则收缩。而在不被弯曲的情况下，则无横向运动产生。因此，如果材料被和缓地弯曲而无拐点，并因此在曲线轨迹上无变化，它就在整个长度上作同相位的横向振动。另一方面，如果曲线包含有拐点，则横向位移将在该点上产生相位变化。如果该包含拐点的曲线还具有合适的幅射状几何形状，就会有效地将压电激励耦合成横向位移，籍此，不同相位的横向振动相长地干涉而得到大功率输出，当这一情况发生时，即是压电材料在扩张模式下被激励。在这种方式下，具有高效幅射区域的换能器可被设计用在波长为几毫米的数量级的超声波频率上。根据本专利技术的第一个实施例，提供一种超声波压电换能器，它包括具有某一形状的压电体材料，籍此，该换能器可在扩张模式下发射和/或接收超声波振动。第一实施例的换能器可进一步包括将压电材料成型的装置，该装置可与该压电材料相配合地工作。第一实施例换能器的压电材料可以被拉伸，并可进一步包括将材料拉伸的装置，该装置与该压电材料相配合地工作。第一实施例换能器的压电材料可具有使其能够在扩张模式下发射和/或接收超声波振动的任何形状。典型地，该形状可以是倒U形的或马鞍形的。倒U形的装置可以相对于材料的支撑点倒置。该形状也可以为不相对于材料的支撑点倒置的倒U形。根据本专利技术的第二个实施例，提供一种超声波压电换能器，它包括被成形和被拉伸的压电材料，籍此，该换能器可以连同将压电材料成形与拉伸的装置一起来发射和/或接收超声波振动，该成形与拉伸装置与压电材料相配合地工作。根据本专利技术的第三个实施例，提供一种超声波换能器，它包括具有某一形状并被拉伸的压电材料，并且具有将材料拉伸的装置，该装置与压电材料相配合地工作，籍此，该换能器能够发射和/或接收在10kHz-200kHz频率范围内的振动峰的超声波振动。根据本专利技术的第四个实施例，提供一种超声波换能器，它包括被成形和被拉伸的压电材料，并具有将材料成形和拉伸的装置，该装置与压电材料相配合地工作，籍此，该换能器能够发射和/或接收在10kHz-200kHz频率范围内的振动峰的超声波振动。该范围典型的是在12kHz-160kHz，80kKz-120kHz，95kHz-105kHz，15kHz-60kHz，或者15kHz-30kHz。在该范围内可以有一个以上的振动峰。第一、二、三或四实施例中用于将压电材料拉伸和/或成形的装置可以是可调节的，以使得材料能够被拉伸和成形，从而在各种所需的超声波频率范围内产生和/或接收超声波频率。第一或第二实施例的换能器可以包括能够在准轴向/扩张模式下发射和/或接收超声波振动的任何压电材85料。这样的材料包括有压电聚合物材料、压电塑料材料和压电橡胶材料。有利的压电材料包括一种连接的聚亚乙烯聚合物(poled polyvinylidene polymer)，PVDF，或者一种1，1-二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物(copolymer of vinylidene fluoride and trifluoroethylene)，其可能的形状为板状、片状、薄膜或其它适当的压电形状。这些材料也适用于第三和第四实施例。根据第一实施例的一种所需的形状，该压电材料是如画在图9中的马鞍形，其中，A和C为压电材料的支撑点，X为过B点的A和C点之间的材料形状长度，d1为A和C点之间的距离，d3为马鞍形两顶点之间的距离，h1为压电材料从A和C点连线到左手边马鞍形顶点的高度，hr为压电材料从A和C点连线到右手边马鞍形顶点的高度，h21为压电材料左手边马鞍形的高度，h2r为压电材料右手边马鞍形的高度，其中1.5×d1≤x≤2.3×d1;0.5×d1≤hr≤0.9×d1;0.5×d1≤h1≤0.9×d1;0.1×d1≤h21≤0.2×d1;0.1×d1≤h2r≤0.2×d1;0.6×d1≤d3≤0.8d1.在一个特别需要的形状中，第一、第二、第三或第四实施例的压电材料是如图9所画出的马鞍形，其中，d2为一个与压电材料相配合地工作以使其拉伸的棒的截面直径，点A和C为压电材料的支撑点，X为过B点的A和C点之间的压电材料形状的长度，d1为点A和C之间的距离，d3为马鞍形两顶点之间的距离，h1为压电材料从点A和C的连线至左手边马鞍形顶点的高度，hr为压电材料从点A和C的连线至右手边马鞍形顶点的高度，h21为压电材料左手边马鞍形的高度，h2r为压电材料右手边马鞍形的高度，其中1.5×d1≤x≤2.3×d1;0.5×d1≤hr≤0.9×d1;0.5×d1≤h1≤0.9×d1;0.1×d1≤h21≤0.2×d1;0.1×d1≤h2r≤0.2×d1;0.05×d1≤d2≤0.2×d1;0.6×d1≤d3≤0.8×d1.较典型地，d1＝10mm;15mm≤x≤23mm;5mm≤hr≤9mm;5mm≤h1≤9mm;1mm≤h21≤2mm;1mm≤h2r≤2mm;0.5mm≤d2≤2mm;6mm≤d3≤8mm.一般地，d1＝10mm;x＝20mm;hr＝7.5mm;h1＝7.5mm;h21＝1.5mm;h2r＝1.5mm;d2＝1.0mm;d3＝6.9mm.典型的是hr与h1近似相等(0.5mm范围内)或相等，h2r与h21近似相等(0.5mm范围内)或相等。较有利的是，第一、第二、第三或第四实施例的压电材料包括一个连接的聚亚乙烯薄片，它为5μm至75μm厚，典型的为9μm至35μm厚，较典型的为20至25μm厚，更典型的为25μm厚。第一、第二、第三或第四实施例的压电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波换能器，包括具有一定形状的压电材料，籍此，该换能器可在扩张模式下发射和／或接收超声波振动。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：巴里约翰马丁，
申请(专利权)人：国家科学与工业研究组织，AGL谘询公司，
类型：发明
国别省市：AU[澳大利亚]