[发明专利]超声波换能器锥体形超波导振动子

说明书

技术领域

本发明是用于超声波换能器的超波导振动子，特别涉及对其结构的改进。 

背景技术

超声波换能器是应用在超声波流量计中，一般有两个为一组，相互交替发射和接收超声波声能，即发射换能器A和接受换能器B。每台超声波流量计可以有一组换能器或多组换能器。

换能器中最关键的压电元件是振动子。目前换能器中的振动子的结构均为柱形，即柱体形振动子。其形成的声场为柱形声场，柱形声场的技术，也称为波导技术。

柱形声场有如下三个缺点：

其一：柱型声场的声能传输能力与传输距离成反比，即每增加一倍传输距离，声能减少3dB（分贝）。

其二：柱形声场中，柱形振动子的发射面积与接收面积是一样的。

上述缺点，会使接受换能器中接受到的声能信号强度太弱，以至无法正常工作。目前采取的方法，是加大发射换能器的发射信号的强度，也即加大产生发射信号的激励电压。如此，又将在电路设计和防爆设计中产生新的问题。

其三：当柱形振动子在激励电压激励下产生振动时，其向前产生的声能（有用信号）和向后产生的声能（有害信号/即外传信号），其能量是相同的。

该缺点会产生较大的有害信号（即外传信号）。该有害信号会产生相应的干扰信号，从而影响正常的测量精度和测量范围，尤其是在小流量测量范围段。 

发明内容

为克服上述已有技术存在的缺点，本发明提供一种改进的用于超声波换能器使用的超波导振动子。

一种超声波换能器锥体形超波导振动子，其特征在于，振动子形状为锥体形状。

所述的锥体形超波导振动子，可以是其截面为圆形的圆锥体超波导振动子，或可以是其截面为方形的方形锥体超波导振动子。

采用锥形体超波导振动子设计而成的超声波换能器，可以建立一个大大优于柱形声场的新声场－锥形声场。为有别于柱形声场的波导技术，将锥形声场的技术称之为超波导技术。

锥形声场的优点有：

其一：锥型声场的声能传输能力与传输距离的二次方根成反比，即每增加一倍传输距离，声能减少1.5dB（分贝）。即锥形声场中，超声波声能的衰减要低于柱形声场1.5dB（分贝）；即超波导换能器接收到信号强度是柱形声场换能器的L₁^1/2倍，L₁是超声波测量途径的路程。

其二：其锥体的锥度为5～20，锥体小端到锥体顶点的距离，按超声波发射换能器到超声波接收换能器的直线距离来计算。

锥体形振动子的信号接收面积为锥形的顶部1，其信号发射面积为锥形的小端2，发射面积与接收面积的比值即锥度可在5～20之间。这样，采用如此的锥体形超波导振动子而制作的超波导发射换能器，在其工作时，其所发射的声能在到达接收换能器时，其声能将聚焦在一条线或近似线面积的锥形顶部1，其锥体形振动子的接收信号的声压是柱体形振动子的5～20倍。

综上两者，采用本发明锥体形超波导振动子，则换能器接收到的声能信号强度，是原柱形声场的（10～20） L₁^1/2倍或更多。计算、加工、装配的越精确，其声能接收点的线面积就越小，其接收到得声能信号强度就越强。

其三：采用本发明锥体形超波导振动子而制作的超波导发射换能器，在其工作时，其向后发射的外传信号（有害信号），其衰减的方式相当于发散声场（即点声源，也即发散声束声源），其声能传输能力与传输距离的平方成反比，即每增加一倍传输距离，声能减少6dB（分贝），也就是说，外传信号的衰减是柱形声场的L₂倍，L₂是超声波外传的路程。

附图说明

附图1是本发明锥体形超波导振动子结构示意图。

附图2是附图1的左视图。锥体形超波导振动子截面为方形结构。

附图3是附图1的左视图。锥体形超波导振动子截面为圆形结构。

1：锥体形超波导振动子的锥形的顶部。

2：锥体形超波导振动子的锥形的小端。

3：锥体形超波导振动子的锥形的大端。

4：截面为方形锥体形超波导振动子。

5：截面为圆形锥体形超波导振动子。

d为方形锥体小端边长或圆形锥体小端直径。

D为方形锥体大端底边长或圆形锥体大端底直径。

h为锥体厚度，即沿锥体方向的长度。

具体实施方式

实施例1