專利名稱：超聲波換能器錐體形超波導(dǎo)振動子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是用于超聲波換能器的超波導(dǎo)振動子，特別涉及對其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
超聲波換能器是應(yīng)用在超聲波流量計(jì)中，一般有兩個為一組，相互交替發(fā)射和接收超聲波聲能，即發(fā)射換能器A和接受換能器B。每臺超聲波流量計(jì)可以有一組換能器或多組換能器。換能器中最關(guān)鍵的壓電元件是振動子。目前換能器中的振動子的結(jié)構(gòu)均為柱形，即柱體形振動子。其形成的聲場為柱形聲場，柱形聲場的技術(shù)，也稱為波導(dǎo)技術(shù)。柱形聲場有如下三個缺點(diǎn)
其一柱型聲場的聲能傳輸能力與傳輸距離成反比，即每增加一倍傳輸距離，聲能減少3dB (分貝)。其二 柱形聲場中，柱形振動子的發(fā)射面積與接收面積是一樣的。上述缺點(diǎn)，會使接受換能器中接受到的聲能信號強(qiáng)度太弱，以至無法正常工作。目前采取的方法，是加大發(fā)射換能器的發(fā)射信號的強(qiáng)度，也即加大產(chǎn)生發(fā)射信號的激勵電壓。如此，又將在電路設(shè)計(jì)和防爆設(shè)計(jì)中產(chǎn)生新的問題。其三當(dāng)柱形振動子在激勵電壓激勵下產(chǎn)生振動時(shí)，其向前產(chǎn)生的聲能(有用信號)和向后產(chǎn)生的聲能(有害信號/即外傳信號)，其能量是相同的。該缺點(diǎn)會產(chǎn)生較大的有害信號(B卩外傳信號)。該有害信號會產(chǎn)生相應(yīng)的干擾信號，從而影響正常的測量精度和測量范圍，尤其是在小流量測量范圍段。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述已有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種改進(jìn)的用于超聲波換能器使用的超波導(dǎo)振動子。一種超聲波換能器錐體形超波導(dǎo)振動子，其特征在于，振動子形狀為錐體形狀。所述的錐體形超波導(dǎo)振動子，可以是其截面為圓形的圓錐體超波導(dǎo)振動子，或可以是其截面為方形的方形錐體超波導(dǎo)振動子。采用錐形體超波導(dǎo)振動子設(shè)計(jì)而成的超聲波換能器，可以建立一個大大優(yōu)于柱形聲場的新聲場一錐形聲場。為有別于柱形聲場的波導(dǎo)技術(shù)，將錐形聲場的技術(shù)稱之為超波導(dǎo)技術(shù)。錐形聲場的優(yōu)點(diǎn)有
其一錐型聲場的聲能傳輸能力與傳輸距離的二次方根成反比，即每增加一倍傳輸距離，聲能減少1.5dB (分貝)。即錐形聲場中，超聲波聲能的衰減要低于柱形聲場I. 5dB (分貝)；即超波導(dǎo)換能器接收到信號強(qiáng)度是柱形聲場換能器的L//2倍，L1是超聲波測量途徑的路程。其二 其錐體的錐度為5 20，錐體小端到錐體頂點(diǎn)的距離，按超聲波發(fā)射換能器到超聲波接收換能器的直線距離來計(jì)算。錐體形振動子的信號接收面積為錐形的頂部1，其信號發(fā)射面積為錐形的小端2，發(fā)射面積與接收面積的比值即錐度可在5 20之間。這樣，采用如此的錐體形超波導(dǎo)振動子而制作的超波導(dǎo)發(fā)射換能器，在其工作時(shí)，其所發(fā)射的聲能在到達(dá)接收換能器時(shí)，其聲能將聚焦在一條線或近似線面積的錐形頂部1，其錐體形振動子的接收信號的聲壓是柱體形振動子的5 20倍。 綜上兩者，采用本發(fā)明錐體形超波導(dǎo)振動子，則換能器接收到的聲能信號強(qiáng)度，是原柱形聲場的(10 20) L//2倍或更多。計(jì)算、加工、裝配的越精確，其聲能接收點(diǎn)的線面積就越小，其接收到得聲能信號強(qiáng)度就越強(qiáng)。其三采用本發(fā)明錐體形超波導(dǎo)振動子而制作的超波導(dǎo)發(fā)射換能器，在其工作時(shí)，其向后發(fā)射的外傳信號(有害信號)，其衰減的方式相當(dāng)于發(fā)散聲場(即點(diǎn)聲源，也即發(fā)散聲束聲源)，其聲能傳輸能力與傳輸距離的平方成反比，即每增加一倍傳輸距離，聲能減少6dB(分貝)，也就是說，外傳信號的衰減是柱形聲場的L2倍，L2是超聲波外傳的路程。


附圖I是本發(fā)明錐體形超波導(dǎo)振動子結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是附圖I的左視圖。錐體形超波導(dǎo)振動子截面為方形結(jié)構(gòu)。附圖3是附圖I的左視圖。錐體形超波導(dǎo)振動子截面為圓形結(jié)構(gòu)。I :錐體形超波導(dǎo)振動子的錐形的頂部。2 :錐體形超波導(dǎo)振動子的錐形的小端。3 :錐體形超波導(dǎo)振動子的錐形的大端。4 :截面為方形錐體形超波導(dǎo)振動子。5 :截面為圓形錐體形超波導(dǎo)振動子。d為方形錐體小端邊長或圓形錐體小端直徑。D為方形錐體大端底邊長或圓形錐體大端底直徑。h為錐體厚度，即沿錐體方向的長度。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I
一種用于超聲波換能器的錐體形超波導(dǎo)振動子，其錐體截面為方形。錐型聲場的原理，是采用錐體形狀的超波導(dǎo)振動子，并根據(jù)不同口徑和不同測量位置，精確計(jì)算出其聲場的焦距，并由其焦距反推出錐體形超波導(dǎo)振動子的錐體幾何尺寸，即，錐體小端邊長d、大端邊長D、厚度h (沿錐體方向的長度)，進(jìn)行定制。經(jīng)過大量的試驗(yàn)和理論計(jì)算，錐體形超波導(dǎo)振動子4的一個主要的技術(shù)參數(shù)為徑厚比=錐體小端邊長d /厚度h應(yīng)該在2. 5—3之間。其錐體的錐度為5 20，錐體小端到錐體頂點(diǎn)的距離，按超聲波發(fā)射換能器到超聲波接收換能器的直線距離來計(jì)算。 如采用截面為方形錐體形超波導(dǎo)振動子，其小端邊長d為10mm，則其發(fā)射面積為100 mm2,如接收換能器的接收面積設(shè)計(jì)為2 X 10mm2，超聲波傳輸所途徑的路程為100mm，其他參數(shù)不變則接收點(diǎn)所接收到的聲波有效信號能量為柱形振動子1001/2X 10/2=50倍。而在方形錐體形超波導(dǎo)振動子向后(沿椎體的發(fā)散方向)同樣距離IOOmm的點(diǎn)上，其他參數(shù)不變，其有害信號(外傳信號)為柱形振動子的100之一。實(shí)施例2
一種用于超聲波換能器的錐體形超波導(dǎo)振動子，其錐體截面為圓形。截面為圓形錐體形超波導(dǎo)振動子5的一個主要的技術(shù)參數(shù)為徑厚比=錐體小端直徑d /厚度h應(yīng)該在2. 5-3之間。其錐體的錐度為5 20，錐體小端到錐體頂點(diǎn)的距離，按超聲波發(fā)射換能器到超聲波接收換能器的直線距離來計(jì)算。如采用圓錐體超波導(dǎo)振動子，其錐體小端直徑d為10mm，則其發(fā)射面積為Ji X5W,如接收換能器的接收面積設(shè)計(jì)為IX 8_2，超聲波傳輸所途徑的路程為100_，其他參數(shù)不變，則接收點(diǎn)所接收到的聲波有效信號能量為柱形振動子1001/2X Ji X52/l=78. 5倍。而在圓形錐體形超波導(dǎo)振動子向后(沿椎體的發(fā)散方向)同樣距離IOOmm的點(diǎn)上，其他參數(shù)不變，其有害信號(外傳信號)為柱形振動子的100之一?！?br> 權(quán)利要求
1.一種超聲波換能器錐體形超波導(dǎo)振動子，其特征在于，振動子形狀為錐體形狀。
2.按照權(quán)利I所述的超聲波換能器錐體形超波導(dǎo)振動子，其特征在于，所述的錐體形超波導(dǎo)振動子，可以是其截面為圓形的圓錐體超波導(dǎo)振動子，或可以是其截面為方形的方形錐體超波導(dǎo)振動子。
3.按照權(quán)利I或2所述的超聲波換能器錐體形超波導(dǎo)振動子，其特征在于，所述方形錐體形超波導(dǎo)振動子的小端邊長d /厚度h為2. 5 3。
4.按照權(quán)利I或2所述的超聲波換能器錐體形超波導(dǎo)振動子，其特征在于，所述圓錐體超波導(dǎo)振動子的小端直徑d /厚度h為2. 5 3。
5.按照權(quán)利I或2所述的超聲波換能器錐體形超波導(dǎo)振動子，其特征在于，其錐體的錐度為5 20，錐體小端到錐體頂點(diǎn)的距離，按超聲波發(fā)射換能器到超聲波接收換能器的直線距離來計(jì)算。
6.按照權(quán)利3所述的超聲波換能器錐體形超波導(dǎo)振動子，其特征在于，其錐體的錐度為5 20，錐體小端到錐體頂點(diǎn)的距離，按超聲波發(fā)射換能器到超聲波接收換能器的直線距離來計(jì)算。
7.按照權(quán)利4所述的超聲波換能器錐體形超波導(dǎo)振動子，其特征在于，其錐體的錐度為5 20，錐體小端到錐體頂點(diǎn)的距離，按超聲波發(fā)射換能器到超聲波接收換能器的直線距離來計(jì)算。
全文摘要
一種超聲波換能器錐體形超波導(dǎo)振動子，振動子形狀為錐體形狀。所述的錐體形超波導(dǎo)振動子，可以是其截面為圓形的圓錐體超波導(dǎo)振動子，或可以是其截面為方形的方形錐體超波導(dǎo)振動子。采用錐形體超波導(dǎo)振動子設(shè)計(jì)而成的超聲波換能器，可以建立一個大大優(yōu)于柱形聲場的新聲場－錐形聲場。錐型聲場的聲能傳輸能力與傳輸距離的二次方根成反比，即每增加一倍傳輸距離，聲能減少1.5dB(分貝)。換能器接收到的聲能信號強(qiáng)度，是原柱形聲場的(10～20)L11/2倍或更多。超波導(dǎo)發(fā)射換能器在工作時(shí)，其向后發(fā)射的外傳信號，其衰減的方式相當(dāng)于發(fā)散聲場，其聲能傳輸能力與傳輸距離的平方成反比，即每增加一倍傳輸距離，聲能減少6dB(分貝)。
文檔編號H04R17/00GK102883252SQ201110197358
公開日2013年1月16日 申請日期2011年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月14日
發(fā)明者王江 申請人:上海一諾儀表有限公司