專利名稱：用于極端氣候條件的超聲波換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
，超聲波換能器主要在小和中等的功率范圍內(nèi)使用。聲學(xué)或者超聲波風(fēng)速測量術(shù)，也就是風(fēng)速和風(fēng)向的測量，在此，對所有氣候條件下的超聲波換能器的功能能力提出特別高的要求。
然而在超聲波風(fēng)速測量術(shù)中，以及在用超聲波測量距離時(shí)，為了測定信號傳播時(shí)間，一個(gè)聲學(xué)脈沖或者波群在一個(gè)發(fā)射側(cè)產(chǎn)生，并且在一個(gè)接收側(cè)上轉(zhuǎn)換回一個(gè)電信號。
下面描述一些要求，這是對用于外部的超聲波換能器的特性和功能能力必須提出的要求。
發(fā)射側(cè)的電信號轉(zhuǎn)換成聲信號并且在接收側(cè)反向轉(zhuǎn)換的效率應(yīng)當(dāng)在一個(gè)寬的溫度范圍內(nèi)保持不變。
在諧振的超聲波換能器中，其諧振頻率和反射性能(波瓣(Lobe))只較少地通過在露出的超聲波換能器表面上溫度改變或者質(zhì)量改變而改變，例如由雨滴改變。
在結(jié)冰層的條件下在露出的超聲波換能器表面上的冰層結(jié)構(gòu)不允許導(dǎo)致系統(tǒng)失靈。
然而，因?yàn)檫@樣的結(jié)冰情況的時(shí)間延續(xù)不是已知的，因此最終一個(gè)冰層或者白霜層結(jié)構(gòu)自身在風(fēng)速大的情況下必須可靠地得到阻止。
當(dāng)聲學(xué)有效(aktiv)面的表面溫度能夠保持在正溫度區(qū)(＞0℃)時(shí)，超聲波換能器的結(jié)冰能夠例如由一個(gè)足夠的供暖被有效地阻止。
所有公開的超聲波換能器具有一個(gè)以壓電效應(yīng)或者磁電效應(yīng)為基礎(chǔ)的電-機(jī)械能量轉(zhuǎn)換器，即換能器，借助于該換能器，一個(gè)電信號能夠被轉(zhuǎn)換為一個(gè)運(yùn)動(例如通過壓電方面的長度變化)并且被反向轉(zhuǎn)換。
人們使用這樣一種換能器，該換能器沒有采用其它的用于在空氣中產(chǎn)生一種聲波的措施，這樣，帶有其相對高的聲阻抗的換能器的固體的機(jī)械功率僅僅在高匹配損耗的情況下成功地耦合到其聲阻抗很小的空氣中。
為了減少匹配損耗，眾所周知地使用λ/4層，這些層在此一般被稱為匹配層，并且它們在其理想方式下具有一個(gè)聲阻抗，該聲阻抗大約為換能器固體阻抗與空氣阻抗的幾何平均值。
通過這樣一個(gè)匹配層的一個(gè)最佳的阻抗匹配實(shí)際上是不可能的，因?yàn)樯厦嫣岬降睦硐氲穆曌杩共荒苡霉牟牧匣蛘卟牧虾铣晌镞_(dá)到。
一種材料的聲阻抗是材料密度與在材料中的音速的乘積。
此關(guān)系表明了，對于匹配層合適的材料或者合成物在通常情況下具有一個(gè)很小的密度。
同時(shí)，匹配層不允許具有太高的聲波阻尼。
幾乎全部的可用于空氣的匹配層的材料或者材料合成物，由于其物理特性，具有一個(gè)與金屬相比僅僅很小的導(dǎo)熱性。
在聲特性方面的要求可惜與希望的好的導(dǎo)熱性直接相矛盾，該導(dǎo)熱性在供暖時(shí)被需要用來抗結(jié)冰。
本發(fā)明的任務(wù)是，使一個(gè)加熱元件尤其有效地集成在超聲波換能器的結(jié)構(gòu)中。
該任務(wù)由具有權(quán)利要求1特征的超聲波換能器來實(shí)現(xiàn)。超聲波換能器的有利實(shí)施形式在從屬權(quán)利要求2至9中提出。
下面提出的問題必須由創(chuàng)造性的勞動來克服匹配層由導(dǎo)熱性差的材料合成物構(gòu)成。通過改變材料合成物，導(dǎo)熱性必須至少改善2倍，而沒有同時(shí)決定性地降低聲匹配。
DE19957125A1中公開了一種超聲波換能器，它具有一個(gè)壓電換能器和一個(gè)匹配層。這個(gè)超聲波換能器用于根據(jù)回波傳播時(shí)間方法測量到物體的距離。
US4891796一方面公開了一種超聲波發(fā)送和接收單元，其中導(dǎo)電的防止振動的橡膠設(shè)置在振動元件中，并且被加熱，以防止結(jié)冰。橡膠的設(shè)置地點(diǎn)未詳細(xì)描述。另外一方面，描述了一種超聲波發(fā)送和接收單元，它設(shè)置有一個(gè)加熱裝置以防止結(jié)冰，該加熱裝置由一個(gè)帶有正的溫度系數(shù)的電阻膏(Widerstandspaste)的一些區(qū)域配置構(gòu)成，并且在一個(gè)表面下面的大面積上延伸，該單元的發(fā)送和接收部向著該表面敞開。
US4890488在一種超聲波風(fēng)速計(jì)中公開了，由加熱來抵抗結(jié)冰，然而由于需要太多的能量而被否定。代替之，應(yīng)改進(jìn)測試用的超聲波信號，使得它較少地受到結(jié)冰的影響。
熱流應(yīng)當(dāng)經(jīng)過一個(gè)盡可能短的路徑來通過熱傳導(dǎo)差的匹配層，從而保持受強(qiáng)風(fēng)的冷卻影響盡可能的小。匹配層上表面對環(huán)境的熱阻抗與空氣的流速密切相關(guān)。(熱風(fēng)速計(jì)基于所述不好的效應(yīng))。
加熱元件應(yīng)當(dāng)盡可能自動地保持其溫度不變，從而可靠地避免由于缺少流動空氣的冷卻時(shí)的過熱。(由于超聲波換能器的幾何形狀，溫度傳感器作為用于調(diào)節(jié)的實(shí)際值傳感器來裝入幾乎被排除)加熱元件的溫度必須根據(jù)匹配層的照舊高的熱阻抗(Wrmewiderstand)而被選擇成相對高的(大約90℃)。
同時(shí)，必須考慮每次接通被冷卻的US換能器的加熱時(shí)的高的熱應(yīng)力。
在此過程中，在超聲波換能器的部件之間會短時(shí)間出現(xiàn)直到120開爾文(Kelvin)的溫度差。
由于這個(gè)原因，所選擇的材料必須具有大致相同的溫度系數(shù)，或者這些層必須被適宜地機(jī)械固定，從而可靠地防止由于裂縫形成和撕裂產(chǎn)生的毀壞。
一個(gè)作為電一聲換能器使用的壓電陶瓷材料和一個(gè)作為加熱元件使用的類似陶瓷的正溫度系數(shù)(PTC)電阻在它們的熱膨脹系數(shù)上沒有決定性的差別，這樣甚至是在這里的幾何結(jié)構(gòu)下一個(gè)平面的釬(錫)焊接連接也保持其功能能力。
然而，匹配層材料的膨脹系數(shù)與上面提到的材料(壓電陶瓷和PTC陶瓷)有很大的不同，這樣在這些材料之間的邊界面上在待使用的不同運(yùn)行溫度中出現(xiàn)大的機(jī)械應(yīng)力。
必須可靠地防止由于這些機(jī)械應(yīng)力出現(xiàn)的換能器的損壞、性能改變或者失靈。
通過將一個(gè)有小阻尼的加熱層裝入聲學(xué)路徑中，使換能器的聲學(xué)有效元件的質(zhì)量(Masse)顯著加大。因此所述傳感器在發(fā)射情況(Sendefall)中激勵后瞬變振蕩顯著加長。盡管如此，為了仍然獲得與測量段長度相關(guān)的、最大可能的傳感速率，所述傳感器應(yīng)當(dāng)通過裝入一個(gè)合適的材料來被動地阻尼。


圖1表示所述新的超聲波換能器的優(yōu)選實(shí)施例的橫剖圖。
其中，該超聲波換能器的部件的設(shè)置可由下面的參考標(biāo)號清單看出。
參考標(biāo)號清單1換能器2加熱元件3匹配層4軟焊料層5軟焊料層6金屬環(huán)7環(huán)8接地線9信號線10加熱管
權(quán)利要求
1.一種超聲波換能器，它具有一個(gè)露出的聲學(xué)面、一個(gè)帶有一個(gè)聲學(xué)有效面的電-機(jī)械換能器、一個(gè)聲學(xué)匹配層，該聲學(xué)匹配層設(shè)置在換能器的該聲學(xué)有效面的前面并且構(gòu)成所述露出的聲學(xué)面，并且具有一個(gè)電加熱元件，其特征在于，該加熱元件(2)設(shè)置在換能器(1)的所述聲學(xué)有效面與所述匹配層(3)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的超聲波換能器，其特征在于，所述加熱元件(2)具有一個(gè)PTC-電阻材料，它隨溫度減少其電導(dǎo)，顯示其溫度的自動調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的超聲波換能器，其特征在于，該換能器(1)在其聲學(xué)有效面上的一個(gè)連接電極與所述加熱元件(2)的一個(gè)連接電極全平面地金屬相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的超聲波換能器，其特征在于，這些連接電極通過一個(gè)軟焊料層(4)相互連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4的超聲波換能器，其特征在于，這些連接電極共同地連接在一個(gè)接地線上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中一項(xiàng)的超聲波換能器，其特征在于，一個(gè)在側(cè)面包圍所述匹配層(3)的金屬環(huán)(6)設(shè)置在該加熱元件(2)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的超聲波換能器，其特征在于，該金屬環(huán)(6)通過一個(gè)軟焊料層(5)與該加熱元件(2)的一個(gè)前面的連接電極相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的超聲波換能器，其特征在于，該金屬環(huán)(6)形狀配合地保持該匹配層(3)并且使其強(qiáng)制對中。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或8的超聲波換能器，其特征在于，一個(gè)由被動阻尼的聲學(xué)材料制造的環(huán)(7)被設(shè)置在所述金屬環(huán)(6)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中一項(xiàng)的超聲波換能器，其特征在于，所述換能器(1)具有一個(gè)壓電的或者磁電的換能器材料，所述加熱元件(2)被設(shè)計(jì)用于80℃到90℃的加熱溫度，并且所述匹配層(3)在達(dá)到所述加熱溫度時(shí)保持熱穩(wěn)定，并且保持其聲學(xué)特性。
全文摘要
一種超聲波換能器，特別是用在超聲波風(fēng)速測量中，它具有一個(gè)帶有聲學(xué)有效面的電—機(jī)械換能器(1)、一個(gè)聲學(xué)匹配層(3)，其設(shè)置在換能器的該聲學(xué)有效面和該露出的聲學(xué)面之間、和一個(gè)電加熱元件(2)。其中該加熱元件(2)設(shè)置在換能器(1)的該聲學(xué)有效面與所述匹配層(3)之間。
文檔編號G10K11/00GK1599926SQ02823535
公開日2005年3月23日 申請日期2002年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月27日
發(fā)明者瓦爾德馬·比齊奧, 赫伯特·溫多爾夫 申請人:阿道夫第斯兩合公司