[發明專利]超聲波換能器和用于產生和/或吸收超聲波的方法

無效

• 申請號: 201310685037.8
• 申請日: 2013-12-13
• 公開（公告）號: CN103868556A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 邁克爾·施派德爾
• 申請（專利權）人: 西克股份公司
• 主分類號: G01F1/66
• 分類號: G01F1/66
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 惠磊;鄭霞

根據權利要求1或15的前序部分，本發明涉及一種超聲波換能器和一種用于產生和/或吸收超聲波的方法。

超聲波換能器具有能振動的膜，其通常是陶瓷的。借助該膜，基于壓電效應，電信號被轉換成超聲波，反之亦然。根據不同的應用，超聲波換能器作為聲源、驗聲器或這兩者工作。

超聲波換能器的一種應用是根據差異行進時間方法測量管道中液體的流量。對此，一對超聲波換能器被在縱向上互相錯位地裝配在管道外周上，其與沿著在超聲波換能器之間展開的測量路徑的液流成橫向地、相互地發射和記錄超聲波信號。通過液體傳輸的超聲波信號根據不同的運動方向被液流加速或減速。由此得出的行進時間差結合幾何體積大小用于計算液體的平均流速。由橫斷面積得出體積流量（Volumenstrom）或流量（Durchfluss）。為了更精確地測量，能分別為多條測量路徑配備一對超聲波換能器，以便在多于一個點上獲取液流橫斷面。

對于這種流量測量，超聲波必須被換能器耦入液體。對此，超聲波換能器被規則地裝配到管道的內腔中，從而使得所述膜直接與液體相接觸。然而，以這種方式浸入的換能器會受到流體和其壓力和溫度的影響，并且可能由此被損壞。反過來，換能器可能干擾液流，并由此損害測量精度。

在EP1378272B1中建議，將產生超聲波的元件安裝在壁的外側上。在這種情況下，所述膜成為壁的一部分，該壁在相應的區域中具有比其余的壁明顯要小的壁厚。

代替單獨地在換能器和液體之間轉移，對于以這種方式裝配的換能器，超聲波必須同樣克服多個具有聲阻抗跳躍的臨界面，從陶瓷到達管壁并且進一步到達流體。這種阻抗跳躍導致在介質邊界處的波反射，這在時域上強烈地影響待傳輸脈沖的波形并且降低輻射功率。進一步的干擾通過在膜背面出射的超聲波的反射進入流體產生。

現有技術已知，在膜和介質之間的阻抗跳躍通過匹配層（Matching?Layer）吸收。對于窄帶系統，通過λ/4的厚度比能夠相對簡單地獲得好的匹配。背面輻射功率也因此被保持較小。但是因為按照定義λ/4層取決于波長，所以適用于寬帶系統的不同厚度的匹配層是非常難以實現的。

傳統的超聲波換能器在背面上應用機械的消音體（襯墊），以便在實際的波束方向上抑制反射。如果在膜和吸波材料之間只有小的聲阻抗跳躍，則正好保持小的背面反射。因此，要尋找一種相應的材料，其同時具有接近膜的聲阻抗和強的聲學消音。但是這種材料屬性在單種物質中不可重復找到。

已知的解決方法在于，應用聲學硬質的金屬所組成的復合材料和聲學軟質的環氧樹脂，所述復合材料用于在膜上進行阻抗匹配，而所述環氧樹脂用于消音。在這種情況下，將期望的阻抗和消音通過體積混合比進行組合。這樣做的缺點在于制造，因為為了避免由形成氣泡所導致的空氣夾雜的構造必須在高壓下費時地生產。此外，對理論上必需的阻抗和消音可再現地調整混合比也有實際困難。而恰好在組合高阻抗和高消音時，所需的層厚度也快速變大并且達到厘米數量級。因此，這種復合層不再適用于具有整體尺寸在毫米范圍的緊湊的系統。其它的缺點在于，復合材料中樹脂材料的熱變化，其粘性導致超聲波換能器的傳輸特性會因老化造成改變。溫度也影響在不同的匹配層相互之間的粘接和在膜上的粘接。在高液體溫度和有效熱耦合的情況下（例如在金屬管道中）這特別是有問題的。

從US2005/00775571A1已知一種具有消音體的、用于在聲能和電能之間轉換的超聲波換能器，所述消音體具有吸音表面。該表面是在金屬塊和消音的環氧樹脂體之間的臨界面。所述臨界面形成由峰和谷組成的形式，其中超聲波通過多次反射消失。然而，這種被建議用于醫療技術的超聲波換能器并不適合于具有高測量精度的緊湊的流量計。

因此，本發明的任務是，提出一種具有被改進的反射特性的緊湊的超聲波換能器。

這個任務通過根據權利要求1或15的一種超聲波換能器和一種用于產生和/或吸收超聲波的方法來解決。本發明的基本思路的出發點在于，超聲波的背面反射借助于消音體（襯墊）來抑制。這種消音體具有第一（與振動體的聲阻抗相匹配的）材料和具有高的聲學消音的第二材料。兩種材料形成自己的部分體也就是說不混合成復合體，即使所述部分體的材料的某些污染物通常可接受地停留。消音效果基于幾何形狀產生，即通過使用圓錐形的第一部分體并且將其底面布置在振動體上的方法來產生。由此在圓錐體內側面上的臨界面提供超聲波，而該側面對于正向散射而言保持足夠傾斜，這是在圓錐體中發生多次反射的基礎。只要在多次反射之后，超聲波重新返回振動體的方向上，則大部分的聲能在第二部分體中被吸收。