[发明专利]超声波换能器和用于产生和/或吸收超声波的方法

说明书

根据权利要求1或15的前序部分，本发明涉及一种超声波换能器和一种用于产生和/或吸收超声波的方法。

超声波换能器具有能振动的膜，其通常是陶瓷的。借助该膜，基于压电效应，电信号被转换成超声波，反之亦然。根据不同的应用，超声波换能器作为声源、验声器或这两者工作。

超声波换能器的一种应用是根据差异行进时间方法测量管道中液体的流量。对此，一对超声波换能器被在纵向上互相错位地装配在管道外周上，其与沿着在超声波换能器之间展开的测量路径的液流成横向地、相互地发射和记录超声波信号。通过液体传输的超声波信号根据不同的运动方向被液流加速或减速。由此得出的行进时间差结合几何体积大小用于计算液体的平均流速。由横断面积得出体积流量（Volumenstrom）或流量（Durchfluss）。为了更精确地测量，能分别为多条测量路径配备一对超声波换能器，以便在多于一个点上获取液流横断面。

对于这种流量测量，超声波必须被换能器耦入液体。对此，超声波换能器被规则地装配到管道的内腔中，从而使得所述膜直接与液体相接触。然而，以这种方式浸入的换能器会受到流体和其压力和温度的影响，并且可能由此被损坏。反过来，换能器可能干扰液流，并由此损害测量精度。

在EP1378272B1中建议，将产生超声波的元件安装在壁的外侧上。在这种情况下，所述膜成为壁的一部分，该壁在相应的区域中具有比其余的壁明显要小的壁厚。

代替单独地在换能器和液体之间转移，对于以这种方式装配的换能器，超声波必须同样克服多个具有声阻抗跳跃的临界面，从陶瓷到达管壁并且进一步到达流体。这种阻抗跳跃导致在介质边界处的波反射，这在时域上强烈地影响待传输脉冲的波形并且降低辐射功率。进一步的干扰通过在膜背面出射的超声波的反射进入流体产生。

现有技术已知，在膜和介质之间的阻抗跳跃通过匹配层（Matching Layer）吸收。对于窄带系统，通过λ/4的厚度比能够相对简单地获得好的匹配。背面辐射功率也因此被保持较小。但是因为按照定义λ/4层取决于波长，所以适用于宽带系统的不同厚度的匹配层是非常难以实现的。

传统的超声波换能器在背面上应用机械的消音体（衬垫），以便在实际的波束方向上抑制反射。如果在膜和吸波材料之间只有小的声阻抗跳跃，则正好保持小的背面反射。因此，要寻找一种相应的材料，其同时具有接近膜的声阻抗和强的声学消音。但是这种材料属性在单种物质中不可重复找到。

已知的解决方法在于，应用声学硬质的金属所组成的复合材料和声学软质的环氧树脂，所述复合材料用于在膜上进行阻抗匹配，而所述环氧树脂用于消音。在这种情况下，将期望的阻抗和消音通过体积混合比进行组合。这样做的缺点在于制造，因为为了避免由形成气泡所导致的空气夹杂的构造必须在高压下费时地生产。此外，对理论上必需的阻抗和消音可再现地调整混合比也有实际困难。而恰好在组合高阻抗和高消音时，所需的层厚度也快速变大并且达到厘米数量级。因此，这种复合层不再适用于具有整体尺寸在毫米范围的紧凑的系统。其它的缺点在于，复合材料中树脂材料的热变化，其粘性导致超声波换能器的传输特性会因老化造成改变。温度也影响在不同的匹配层相互之间的粘接和在膜上的粘接。在高液体温度和有效热耦合的情况下（例如在金属管道中）这特别是有问题的。

从US2005/00775571A1已知一种具有消音体的、用于在声能和电能之间转换的超声波换能器，所述消音体具有吸音表面。该表面是在金属块和消音的环氧树脂体之间的临界面。所述临界面形成由峰和谷组成的形式，其中超声波通过多次反射消失。然而，这种被建议用于医疗技术的超声波换能器并不适合于具有高测量精度的紧凑的流量计。

因此，本发明的任务是，提出一种具有被改进的反射特性的紧凑的超声波换能器。

这个任务通过根据权利要求1或15的一种超声波换能器和一种用于产生和/或吸收超声波的方法来解决。本发明的基本思路的出发点在于，超声波的背面反射借助于消音体（衬垫）来抑制。这种消音体具有第一（与振动体的声阻抗相匹配的）材料和具有高的声学消音的第二材料。两种材料形成自己的部分体也就是说不混合成复合体，即使所述部分体的材料的某些污染物通常可接受地停留。消音效果基于几何形状产生，即通过使用圆锥形的第一部分体并且将其底面布置在振动体上的方法来产生。由此在圆锥体内侧面上的临界面提供超声波，而该侧面对于正向散射而言保持足够倾斜，这是在圆锥体中发生多次反射的基础。只要在多次反射之后，超声波重新返回振动体的方向上，则大部分的声能在第二部分体中被吸收。