[发明专利]具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器

说明书

本发明涉及一种具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器，其结构是在壳体的辐射端面上设置有能够改变振动模态和声匹配的穿孔匹配板，在穿孔匹配板上层叠设置有可产生平面径向振动模态的压电元件，以压电元件为激励源，可以激发穿孔匹配板产生弯曲振动并辐射超声波；本发明不但改善了传统的气介超声换能器的声匹配问题，而且可以增大带宽，改善换能器的声波辐射，提高换能器的分辨率和作用范围。

技术领域

本发明属于超声换能器技术领域，特别设计一种具有声子晶体匹配及辐射复合结构的宽带气介超声换能器。

背景技术

众所周知，在声频范围内，由于声波的频率较低，换能器的尺寸基本上小于声波的波长，因此，换能器的指向性呈现出球型辐射的特点。然而，在超声频范围，情况就不一样了。当频率升高时，声波的波长接近或小于换能器的几何尺寸，此时换能器的辐射声场出现明显的指向性。另一方面，当换能器的频率升高时，声波的折射变得越来越小，声场可以近似看成由许多声线组成的，就像光学中的光线一样。

在空气中发射和接收超声波，以及以气体为耦合介质进行超声检测是检测声学的一个重要领域。气介超声检测的优点主要表现在以下两个方面：一是其非接触检测方式，适合于无法使用水或其它耦合剂的许多应用领域；二是气体中声波波长短，在气体中进行成像或测距具有更高的分辨率和精度。

在气介超声换能器的设计和研制过程中，必须考虑超声波的衍射和吸收对频率的依赖性。例如，如果超声的波长和需要探测的物体的尺寸比较接近，由于声波的衍射而形成的声影会影响物体的识别。在这些情况下，必须提高超声波的频率。另一方面，当超声的频率提高时，空气中超声的吸收随之增大，导致超声的可探测距离受到影响。因此，在实际应用中，必须兼顾到超声波的工作频率与探测距离之间的对应关系。根据众多的理论分析以及实际经验，针对空气中的超声波应用，人们常常应用所谓的半值距离的概念。半值距离定义为超声波的声压降到初始值的一半时所传播的距离。很显然，当换能器的频率升高时，其半值距离将减小。表1列出了一些比较常用的半值距离及其对应的频率。

表1.空气中超声波传播的半值距离及其对应的频率

频率(kHz)	半值距离(m)
20	10
50	3
100	2