[发明专利]用于改进的声传输效率的挡板结构体

说明书

一种声匹配结构体声匹配结构体用于增加从具有较高阻抗的换能元件辐射到具有较低声阻抗的周围声介质中的功率。声匹配结构体由两个端壁和一个侧壁界定的基本为平面的薄腔体组成。该腔体的端壁由挡板壁和换能元件壁形成，该挡板壁和换能元件壁以短距离(小于工作频率下的周围声介质中的声波波长的四分之一)隔开。端壁和侧壁界定直径大约等于周围介质中的声波波长的一半的腔体。在操作中，换能元件在腔体内的流体中产生声振荡。换能元件可以是致动器，其在垂直于腔体平面的方向上产生端壁的运动以激发腔体内流体中的声振荡，并且腔体的几何形状和共振放大增大了所得压力振荡的幅度。腔体的侧壁或端壁包含至少一个远离腔体中心定位，以允许压力波传播到周围声介质中的孔径。

优先申请

本专利申请主张以下两个临时专利申请的权益：

1)2018年5月2日提交的序列号为62/665,867的美国临时专利申请；以及

2)2019年1月7日提交的序列号为62/789,261的美国临时专利申请。

技术领域

本公开一般地涉及通过在声换能器中纳入声匹配结构体来改进声传输效率。

背景技术

声换能器将通常为电能的一种形式的能量转换为声(压力)波。从换能器发射到周围声介质中的能量比例取决于介质相对于换能器的声阻抗。为了有效传输，阻抗应接近相等。在许多应用中，声介质将是空气或另一种气态介质，它们的声阻抗通常比换能元件的声阻抗低几个数量级。这种较大的阻抗失配会导致能量到声介质中的不良传输，从而限制了换能器发射的声能量。改进传输效率的技术包括在换能器与声介质之间添加匹配层或匹配结构体。

许多常规的阻抗匹配层方法要求平行于传输方向的尺寸是声波波长的很大一部分。这限制了它们对要求极薄或紧凑的解决方案的应用的可用性。常规的阻抗匹配层的另一缺点是所使用的低声阻抗材料需要复杂的制造工艺。

发明内容

本申请描述了一种声匹配结构体，该声匹配结构体用于在发射到声阻抗显著低于换能器的声阻抗的介质中时提高声换能器的传输效率。

以下术语标识换能器的各部分：换能器由声匹配结构体和换能元件组成。声匹配结构体是无源的，旨在提高从换能元件到周围声介质的声学传输效率。当由电输入驱动时，换能元件产生声输出。换能机构可以是通过振荡运动，例如使用机电致动器，或者是通过振荡温度，例如使用电热换能器。

具体地，声匹配结构体用于增加从具有较高阻抗的换能元件辐射到具有较低声阻抗的周围声介质中的功率。

声匹配结构体包括由声换能元件和挡板界定的共振声腔组成。共振声腔放大了由换能元件产生的压力振荡，并且挡板包含一个或多个孔径，这些孔径允许压力振荡从共振声腔传播到周围声介质中。

声匹配结构体的优选实施例包括由两个端壁和一个侧壁界定的基本为平面的薄腔体组成。腔体的端壁由挡板壁和换能元件壁形成，该挡板壁和换能元件壁以短距离隔开，该距离小于换能器工作频率下的周围声介质中的声波波长的四分之一。端壁和侧壁界定直径大约等于周围声介质中的声波波长的一半的腔体。在操作中，换能元件在腔体内的流体中产生声振荡。换能元件可以是致动器，其在垂直于腔体平面的方向上产生端壁的运动以激发腔体内流体中的声振荡，并且腔体引起所产生的的压力振荡的共振放大。腔体的侧壁或端壁包含至少一个远离腔体中心定位，以允许压力波传播到周围声介质中的孔径。

附图说明

附图与下面的详细说明一起纳入说明书中并构成说明书的一部分，用于进一步阐述包括要求保护的发明的概念实施例，并解释了这些实施例的各种原理和优势，在所述附图中，相同的参考标号指示各个图中相同或功能相似的元件。

图1是具有简单四分之一波长声匹配层的换能器的简化示意图。

图2是示出由板构成的声匹配结构体的计算出的声阻抗的曲线图。