[发明专利]声换能器

说明书

技术领域

本发明涉及一种声换能器(acoustic transducer)。

背景技术

任何结构都可能在使用过程中遭受导致该结构最终失效的损伤。在很多情况下，对损伤进行监控是很重要的，以便能够修复损伤或者能在发生任何功能恶化之前更换结构。很多此类结构被建筑并应用于航空、航天、海运、或者汽车行业。

当结构内发生损伤时，受损区域会发出通过结构材料传导的声发射(AE，acoustic emission)。设置声发射探测和监控系统形式的声学损伤监控系统，以便探测结构发生损伤时的声发射。这类系统应用于无损探伤(NDT)系统中，例如结构健康监控(SHM)系统。在此类系统中，附设于结构中已知位置的传感器探测上述声发射。声发射到达每个传感器的飞行时间(ToF)被记录下来。接着可以针对来自已知位置的接收传感器的给定AE使用ToF的三角计算法(triangulate)来确定AE的位置。这种探测AE的技术称为无源声学监控系统。另一类型的声学监控系统称为有源系统。在此类有源系统中，附设于给定结构的换能器产生询问声音信号，并且对任何接收到的回声进行分析以确认并量化缺陷或者损伤。

在主要由板材构成的机械机构中，例如飞机元件或部件，声波形成被称为兰姆波(Lamb wave)的特殊类型的板波(plate wave)。在无源系统中声波在损伤发生时由受损部位发出，而在有源系统中声波由换能器发出或产生。兰姆波具有多种不同的振荡型式或模式(oscillatory pattern or mode，振荡型)，这种振荡型式或模式能够保持它们的形状并根据它们的分散状态以稳态或非稳态方式传播。结构中机械形式的变化(例如一种材料与另一种材料之间的边界)，或者给定材料横截面厚度的变化，会影响兰姆波信号。例如，材料接头可能会延缓兰姆波信号，削减它的振幅或改变它的模式。不同的波形(wave mode)可能不同地受这种结构变化的影响。例如，一种兰姆波模式可能由于沿着波传播路径上的给定结构变化而衰减为另外一种模式。实际上，一些波形的衰减可能会非常明显以至于给定的波形不能以可探测振幅到达给定的传感器位置。兰姆波在所有方向传播，但对于在其中传播的结构的传播方向上的硬度和厚度敏感。因此，给定的结构可能在特定方向上促进兰姆波的传播。硬度与厚度可能取决于结构内的特性。

每个兰姆波模式通常均具有特征频率和波长范围(wavelengthband，波长波段)。所有模式都可能无法到达无源或有源监控系统的传感器所在的位置。因此一个问题在于使位于给定位置的兰姆波发生或感应换能器的频率与可能在该位置处探测到的频段(frequency band)相匹配。

发明内容

本发明的实施例提供了一种声换能器，包括：

共用电极；

压电层，在一侧上设置有所述共用电极；

一组(a set of)第一电极阵列，设置在压电层的与共用电极相对的一侧上，每个第一电极阵列绕一标称中心点径向设置并且包含一组沿圆周设置的电极元件，第一电极阵列布置成使得能够从给定的第一电极阵列中选择出一群(a group of)或多群电极元件，以将给定的第一电极阵列调谐到预定的频段。

上述一组第一电极阵列的每一个均可以在预定的径向方向上布置，以将阵列调谐成具有对应方向性的信号。第一电极阵列可以布置成使得能够从给定的第一电极阵列中选择出一群或多群电极元件，以便将给定的第一电极阵列调谐到预定的频段，并确定这些群相对于标称中心点的位置。给定第一电极阵列的这些电极元件可以以共同的圆周尺寸布置。给定第一电极阵列的这些电极元件可以以给定电极元件到标称中心点的距离成正比的沿圆周尺寸布置。

该换能器还可以包括由径向设置的电极元件组成的、按圆周设置的第二阵列。该换能器还可以包括以标称中心点为中心的第三阵列。第三阵列可以包括一个或多个径向隔开的同心元件。该换能器可布置成在10kHz到20MHz的频率范围内运行。每个电极元件可以用电线连接到用于处理由换能器接收的信号的处理器。

附图说明

现在将参考附图仅以实例的方式来描述本发明的实施例，附图中：

图1是地面上的飞机的侧视图；

图2是图1的飞机中的声学监控系统的示意图；

图3是图2中的换能器的平面图；

图4是图2的声学监控系统中所用的换能器的横截面图；

图5和图6是根据其它实施例布置的换能器的平面图。

具体实施方式