[發明專利]陣列式微型聲頻定向換能器

無效

• 申請號: 200910059777.4
• 申請日: 2009-06-26
• 公開（公告）號: CN101583062A
• 公開（公告）日: 2009-11-18
• 發明（設計）人: 徐利梅;李學生;王祎;許亮鋒;耿云龍
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H04R1/40
• 分類號: H04R1/40;H04R17/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

陣列式微型聲頻定向換能器，屬于超聲技術領域，特別涉及基于MEMS的換能器技術領域。具體而言，本發明涉及超聲換能器直接產生超聲波，并通過超聲波在空氣中的非線性交互作用產生具有高指向性的可聽聲。

背景技術

換能器是一種把電信號轉變為聲信號的器件。傳統的換能器直接向空氣中輻射頻率在可聽聲頻段范圍內的聲波，難以實現高指向性。陣列式微型聲頻定向換能器通過超聲波在空氣中的非線性交互作用產生高指向性的可聽聲，而不依賴換能器固有的特性。其主要工作原理是：換能器向空氣中發射調制有可聽聲信號的超聲波，由于空氣非線性波傳播效應解調了狹窄的超聲波調制的聲音信號，產生出高指向可聽聲。

陣列式微型聲頻定向換能器可以采用PZT、PVDF、磁致伸縮材料或其它具有壓電效應的材料。由于當外加適當的電激勵信號時，壓電材料即可產生較大的機械位移或壓力。因此，將含有音頻信息的超聲波激勵信號施加在換能器上，便可轉化為機械振動，將信號發射出去。但是，單個換能器單元輸出功率小，指向性差，接收靈敏度低，因此，本發明采用換能器陣列，旨在改善換能器指向性、增強傳輸距離、提高輸出聲壓級、增大輸出功率等。

本發明基于微機電系統(Micro?Electro?Mechanical?Systems，簡稱MEMS)加工技術，將經過MEMS工藝加工的PZT壓電薄膜與微型換能器結構相結合，并采用了陣列的形式，使得所發明的換能器在保證穩定工作的前提下，能根據需要增加換能器的數量，調整換能器陣列形式，滿足具體需求。換能器陣列是由多個換能器單元按一定方式排列、組合而成的一種陣列，其陣列形式包括線陣、平面陣和立體陣以及各種組合陣。其中，平面陣又包括方陣、矩形陣、圓弧陣、橢圓陣、菱形陣、多邊形陣等；立體陣包括圓柱陣、球殼陣、球體陣、錐形陣等；組合陣包括均勻組合陣和非均勻組合陣。

發明內容

本發明提供的陣列式微型聲頻定向換能器，相比傳統的換能器，能夠同時控制聲波傳播空間分布與聲源位置，產生可控傳播方向的可聽聲波，可以依照傳輸距離的遠近和輸出聲壓的大小來設置陣列單元的數量和排列方式。

本發明的目的是通過應用MEMS工藝加工的PZT壓電薄膜或PVDF或其他壓電薄膜，制作微型聲頻定向換能器單元，并通過陣列設計和裝配制作陣列式微型聲頻定向換能器。該換能器能夠產生20kHz～500kHz頻帶范圍內超聲波。

本發明的詳細技術方案為：

陣列式微型聲頻定向換能器，包括：若干個壓電材料換能器陣列單元和支撐框。

以上所述陣列式微型聲頻定向換能器，其特征在于，換能器器陣列單元按一定方式排列、組合在支撐框上，單元之間通過支撐框上的電極彼此串聯或并聯連接在一起。

所述的支撐框，其特征在于，支撐框可以是金屬板，非金屬板如印刷電路板。

所述的支撐框，可以是方形平面薄板、圓形平面板、橢圓形平面板、拋物型曲面板、半球形或球冠型曲面板、圓柱形曲面板。

所述的支撐框，其表面布有電極，與換能器單元電極串聯或者并聯。

所述的陣列單元，其特征在于，由上電極、振動輻射材料、下電極和底座四部分組成。

所述的陣列單元，其形狀可以是圓形，方形，橢圓形或者任意正多邊形。

所述的陣列單元，其輻射材料為電致伸縮材料或者磁致伸縮材料；

所述的電致伸縮材料可以是壓電材料；所述的壓電材料可以是壓電晶體、壓電陶瓷、PZT或者PVDF壓電薄膜。

所述的陣列單元，其基底材料為硅；

上述方案中，所說的支撐框是整個揚聲器的支撐件，所有的陣列單元安裝在支撐框上，電信號直接加在支撐框的電極上，通過支撐框表面的線路將電信號傳輸到每一個陣列單元上。所述的陣列單元，其上電極和下電極分別與輻射材料的上下表面固定連接，通過上下電極與支撐框的電極相連接。下電極與硅基底相連接，通過硅基底將輻射材料固定，輻射材料的形狀由基底上表面的形狀來保證。同時，上下電極作為兩個正負電極將電信號加到輻射材料上，使之產生振動，將電信號轉化為機械振動，向外輻射超聲波。超聲波經過空氣中的非線性交互作用，產生高指向性可聽聲信號。各個陣列單元可以各自使用單獨的電極，也可以共同使用一個電極。對比而言，共用一個電極能較好地保證各個陣列單元振動的一致性，使輸出聲波相位一致，增大輸出聲壓；而各陣列單元分開使用各自的單獨的電極能根據需要調節輸入電壓的相位。根據具體情況，可以自定義選用合適的電極形式。

附圖說明

圖1是本發明陣列式微型聲頻定向換能器的陣列單元的實施方式之一；