[發明專利]具有聲子晶體匹配及輻射復合結構的寬帶氣介超聲換能器

有效

• 申請號: 201810344139.6
• 申請日: 2018-04-17
• 公開（公告）號: CN108543689B
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發明（設計）人: 林書玉;徐潔
• 申請（專利權）人: 陜西師范大學
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06
• 代理公司: 西安佩騰特知識產權代理事務所(普通合伙) 61226
• 代理人: 曹宇飛

本發明涉及一種具有聲子晶體匹配及輻射復合結構的寬帶氣介超聲換能器，其結構是在殼體的輻射端面上設置有能夠改變振動模態和聲匹配的穿孔匹配板，在穿孔匹配板上層疊設置有可產生平面徑向振動模態的壓電元件，以壓電元件為激勵源，可以激發穿孔匹配板產生彎曲振動并輻射超聲波；本發明不但改善了傳統的氣介超聲換能器的聲匹配問題，而且可以增大帶寬，改善換能器的聲波輻射，提高換能器的分辨率和作用范圍。

技術領域

本發明屬于超聲換能器技術領域，特別設計一種具有聲子晶體匹配及輻射復合結構的寬帶氣介超聲換能器。

背景技術

眾所周知，在聲頻范圍內，由于聲波的頻率較低，換能器的尺寸基本上小于聲波的波長，因此，換能器的指向性呈現出球型輻射的特點。然而，在超聲頻范圍，情況就不一樣了。當頻率升高時，聲波的波長接近或小于換能器的幾何尺寸，此時換能器的輻射聲場出現明顯的指向性。另一方面，當換能器的頻率升高時，聲波的折射變得越來越小，聲場可以近似看成由許多聲線組成的，就像光學中的光線一樣。

在空氣中發射和接收超聲波，以及以氣體為耦合介質進行超聲檢測是檢測聲學的一個重要領域。氣介超聲檢測的優點主要表現在以下兩個方面：一是其非接觸檢測方式，適合于無法使用水或其它耦合劑的許多應用領域；二是氣體中聲波波長短，在氣體中進行成像或測距具有更高的分辨率和精度。

在氣介超聲換能器的設計和研制過程中，必須考慮超聲波的衍射和吸收對頻率的依賴性。例如，如果超聲的波長和需要探測的物體的尺寸比較接近，由于聲波的衍射而形成的聲影會影響物體的識別。在這些情況下，必須提高超聲波的頻率。另一方面，當超聲的頻率提高時，空氣中超聲的吸收隨之增大，導致超聲的可探測距離受到影響。因此，在實際應用中，必須兼顧到超聲波的工作頻率與探測距離之間的對應關系。根據眾多的理論分析以及實際經驗，針對空氣中的超聲波應用，人們常常應用所謂的半值距離的概念。半值距離定義為超聲波的聲壓降到初始值的一半時所傳播的距離。很顯然，當換能器的頻率升高時，其半值距離將減小。表1列出了一些比較常用的半值距離及其對應的頻率。

表1.空氣中超聲波傳播的半值距離及其對應的頻率

頻率(kHz)	半值距離(m)
20	10
50	3
100	2