超声换能器.pdf

本发明涉及一种超声换能器，包括外壳(2)、设置在外壳(2)的第一区域(3)中的用于在超声换能器的内部空间和外部空间之间传递超声波的超声窗(4)以及在外壳(2)中与超声窗(4)相邻设置的换能元件(5)，超声波能作为壳波(G)在外壳(2)的第一区域(3)和位于外壳(2)的第一区域(3)对面的外壳(2)的第三区域(7)之间经过外壳(2)的至少一个传导的第二区域(6)传递。本发明的任务是提供一种超声换能器，其实现了减少壳波(G)的又一措施并至少部分地避免现有技术条件下的缺点。在外壳(2)的第二区域

1.  一种超声换能器，包括外壳(2)、设置在外壳(2)的第一区域(3)中的用于在所述超声换能器的内部空间和外部空间之间传递超声波的超声窗(4)、以及在外壳(2)之中与超声窗(4)相邻设置的换能元件(5)，其中超声波能够作为壳波(G)在外壳(2)的第一区域(3)和位于外壳(2)的第一区域(3)对面的外壳(2)的第三区域(7)之间经过外壳(2)的至少一个传导的第二区域(6)传递，
其特征在于，
在外壳(2)的第二区域(6)中构成至少两个在壳波(G)的传播方向上基本依次设置的弱耦合的机械的谐振器(8，9)。

2.  根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，谐振器(8，9)的固有频率处于壳波(G)的频率范围内。

3.  根据权利要求1或2所述的超声换能器，其特征在于，外壳(2)的第二区域(6)在轴向延伸方向(A)上呈套筒形，且至少一个谐振器(8，9)作为空心环或者作为阶梯构成，包括上扁壁(10)、下扁壁(11)以及将上扁壁(10)和下扁壁(11)连接起来的端壁(12)。

4.  根据权利要求3所述的超声换能器，其特征在于，所述空心环基本上在外壳(2)的第二区域(6)的轴向延伸方向(A)上定向，尤其其中外壳(2)的第二区域(6)在所述空心环的区域中在轴向延伸方向(A)上具有波形走向的壁断面。

5.  根据权利3或4所述的超声换能器，其特征在于，在轴向延伸方向(A)上，端壁(12)的刚度大于上扁壁(10)的刚度和/或下扁壁(11)的刚度，尤其是大出至少一个数量级，优选大出至少两个数量级。

6.  根据权利要求1～5中任一项所述的超声换能器，其特征在于，至少一个谐振器(8，9)得到衰减，尤其通过至少一个在一个谐振器(8，9)之中以及/或者在两个谐振器(8，9)之间或者与一个谐振器(8，9)相邻布置的衰减元件(13)得以衰减。

7.  根据权利要求6所述的超声换能器，其特征在于，衰减元件(13)是至少一个O形圈或者填料，尤其由弹性或者粘弹性材料制成。

8.  一种超声换能器，包括外壳(2)、设置在外壳(2)的第一区域(3)中的用于在所述超声换能器的内部空间和外部空间之间传递超声波的超声窗(4)、以及在外壳(2)之中与超声窗(4)相邻设置的换能元件(5)，其中超声波能够作为壳波(G)在外壳(2)的第一区域(3)和位于外壳(2)的第一区域(3)对面的外壳(2)的第三区域(7)之间经过外壳(2)的至少一个传导的第二区域(6)传递，
其特征在于，
外壳(2)的第二区域(6)在轴向延伸方向(A)上呈套筒状，并且在外壳(2)的第二区域(6)中构成至少一个机械的谐振器(8，9)，其中所述谐振器(8，9)作为空心环或者作为阶梯构成，包括上扁壁(10)、下扁壁(11)以及将上扁壁(10)和下扁壁(11)连接起来的端壁(12).

9.  根据权利要求8所述的超声换能器，其特征在于，所述谐振器按照如权利要求2至7中任一项所述的特征来构造。

超声换能器
技术领域
本发明涉及一种超声换能器，包括外壳、设置在外壳的第一区域中的用于在超声换能器的内部空间和外部空间之间传递超声波的超声窗、以及在外壳之中与超声窗相邻设置的换能元件，其中超声波能够作为壳波在外壳的第一区域和位于外壳的第一区域对面的外壳的第三区域之间经过外壳的至少一个传导的第二区域传递。
背景技术
上述类型的超声换能器早已为人所知，例如广泛应用于声学的流量测定仪之中。超声换能器的换能元件将电能转变成机械的偏转，在适当激励条件下也可转变成超声频率范围内的振荡。在这种情况下，超声换能器就作为超声发射器工作，并且通过超声窗将超声波-部分地-传递到超声换能器周围的介质之中。
反之也可以通过外部-在介质中出现的-压力波动使得超声窗偏移，然后通过换能元件将其转变成相应的信号；在这种情况下，超声换能器就作为超声接收器工作。在某些应用情况下-例如在液位测量中-，不仅使用这种超声换能器作为超声发射器，而且也作为超声接收器；在流量测量领域通常要么使用超声换能器作为超声发射器，要么作为超声接收器。
在这两种情况下，也就是说在超声换能器作为发射器工作的情况下以及在超声换能器作为接收器工作的情况下，通过超声窗传递的到达或者来自换能元件的超声波指的是实际有用的信号。上述通过外壳传递或者输出的超声波指的是寄生的壳波。利用这些波所传导的能量无法供有用信号使用，因此通常并不希望存在壳波。
有各种各样的措施可用来减少壳波。有些措施能够避免产生这种壳波，例如可以使得超声窗具有特别好的阻抗匹配，从而最大化所发射的能量部分；或者将超声窗设计成λ/4-膜来减少反射。其它措施则是阻止继续传递已产生的壳波，例如通过失配的声学的阻抗过渡。壳波不仅是对于有用信号而言遗失的功率损耗，而且还有其它不利影响。
例如在声学的流量测量领域，通常要利用以下效应：在量管内所输送的介质的输送速度叠加在声信号的传递速度上。如果沿着声信号方向输送介质，则所测定的声信号相对于量管的传播速度要比在静止介质内大；如果在与声信号的发射方向相反的方向上输送介质，则声信号相对于量管的速度比在静止介质内小。由于存在拖曳效应，因此声发射器与声接收器-两者均为超声换能器-之间的声信号传递速度取决于介质相对于量管以及相对于声发射器和声接收器的输送速度。
基于所发射的声信号或者超声信号进行测量的问题在于：并非仅仅通过换能器外壳周围的介质传递换能元件所产生的超声振动，而且也会通过外壳将所产生的超声振动以壳波形式-部分地-传输到整个测量装置，这种现象并非仅存在于流量测量领域。这就是除了功率损耗之外所面临的问题，因为这种通过串扰传输到测量仪外壳上的超声波也会在接收侧引起严重干扰。原因在于：接收侧无法区别所接收的超声信号是直接通过介质和超声窗接收的-有用信号-，还是间接地作为壳波通过测量装置和超声换能器的整个外壳、尤其是通过外壳的第三区域以及外壳的传导的第二区域抵达了换能元件。
发明内容
因此本发明的任务在于阐述一种超声换能器，其可实现了用于阻止经由超声换能器的外壳传递壳波的又一措施，并且能-至少部分地-避免现有技术条件下已知的缺点。
本发明所述的超声换能器能解决以上所述的任务，其基本特征在于：在外壳的第二区域中构成至少两个在壳波的传播方向上基本依次设置的弱耦合的机械的谐振器。
本发明所述超声换能器或者说超声换能器外壳第二区域的构成方案能带来各种不同的优点。首先可以通过机械的谐振器局部“捕据”超声波所传输的能量，也就是激励机械的谐振器进行振动。机械的谐振器通常可表示为弹簧质量系统，其中对于真实的弹簧质量系统而言，如果对谐振器的质量没有-即使很小的-贡献，就无法实现弹簧特性-也就是与偏转有关的力作用-，正如谐振器之中的质量始终会影响弹簧质量系统的弹簧特性一样；弹簧和质量在构造上实际上是不能完全分开的。采用在壳波传递方向串联布置至少两个机械的谐振器的方式，使得壳波必定会横穿所有谐振器，从外壳的第一区域到达外壳的第三区域，反之亦然。采用使两个谐振器弱耦合的方式，使得谐振器对壳波的阻碍总体上大于谐振器强耦合时的阻碍，即使这些谐振器具有相同振动特性时也是如此。在强的机械的耦合情况下，谐振器的振动实际上可直接传递到相邻的谐振器上，而在弱耦合情况下则不是这样，尽管这时在相邻谐振器之间也存在机械的相互作用。
按照本发明的一种优选实施形式所述，谐振器的固有频率在壳波的频率范围内，从而保证能够在振动系统的共振效应下将尽可能多的壳波能量约束在谐振器的振动之中。在具有不同固有频率的谐振器中，可在较宽带频率范围内抑制壳波，这在发射或者射入宽带超声信号时显得尤为重要。布置在外壳第二区域中的弱耦合的谐振器在超声换能器第一区域直至超声换能器第三区域的传递路径中所起的作用实际上就是一个带阻滤波器-或者多个带阻滤波器-。
在另外一种优选的构成方案中，外壳的第一区域和/或外壳的第二区域被如下设置，即，外壳的第一区域的和/或外壳的第三区域的谐振频率-在从结构上而言具有代表性的范畴内-尽可能远离弱耦合的谐振器在外壳的第二区域中的固有频率并从而尽可能远离超声换能器的工作频率。
超声换能器通常在外壳的第二区域中沿轴向延伸方向呈套筒状，所述超声换能器在外壳的第一区域中封闭该套筒成为朝向介质的端面。外壳的套筒状第二区域通常为圆柱形。外壳的第三区域位于外壳的第一区域对面并例如可以在一个凸缘状连接件之中，或者仅仅在套筒的开口末端之中。在这种实施形式的超声换能器中，总体上也是通过外壳沿着轴向延伸方向传递壳波。按照本发明的另一种优选实施形式所述，其中至少一个谐振器为空心环或者阶梯，包括一个上扁壁以及连接上扁壁和下扁壁的端壁。最好将谐振器设计成空心环或者阶梯，因为可以用非常简单、精度很高的方式加工制成这两种结构，例如可以用一整块材料车削而成。采用多段结构同样也能以比较简单的方式制成较大的空心环，使得上扁壁、下扁壁以及端壁围成的空腔非常低矮并且朝向扁壁的延伸方向扩开。
按照本发明的一种特别有益的实施形式所述，空心环基本上定位在外壳第二区域的轴向延伸方向上，其中外壳的第二区域在空心环的区域中在轴向延伸方向上具有尤其波形走向的壁断面。显而易见，壳波为了从外壳的第一区域到达外壳的第三区域不得不经过依次串列的谐振器，从而依次强制激励这些谐振器-无论如何这会涉及超声换能器的外壳-而不可能绕过谐振器。
在以上所述的超声换能器中，如果在轴向延伸方向上空心环或者阶梯的端壁的刚度大于第一扁壁的刚度和/或第二扁壁的刚度，则特别有益。采用这种措施能够使得谐振器非常易于在轴向延伸方向上振动，并且能够以非常简单的方式激励谐振器。如果-按照之前那样-将谐振器理解成弹簧质量系统，则端壁就是谐振器的贡献主要质量部分的那一组成部分，第一偏壁和/或者第二扁壁基本上可转变弹簧质量系统的弹性特性。为了在相邻谐振器之间实现弱耦合，有利的是，端壁的刚度-在轴向延伸方向上观察-比第一扁壁的刚度和/或者第二扁壁的刚度大出至少一个数量级，甚至大出两个以上的数量级。
按照本发明的另一种独立教导，可采用下述方式解决针对开头所述超声换能器所提出的任务，即，外壳的第二区域在轴向延伸方向上呈套筒状，在外壳的第二区域中构成至少一个机械的谐振器，其中所述谐振器为空心环或者阶梯，包括一个上扁壁、一个下扁壁、以及一个连接上扁壁和下扁壁的端壁。尽管本发明申请人从实践中已知道在外壳的传导的第二区域具有机械的谐振器的超声换能器，但这些超声换能器的构造非常复杂，也比较难于进行制造。而如果将谐振器设计成空心环或者阶梯，则制造工艺非常简单，因此能以低廉成本予以实现，其中能够非常容易地调整这种能够振动的系统的弹簧质量参数-谐振频率、衰减以及从而品质-。适当选择扁壁的厚度-弹簧常数-以及端壁的厚度-质量-，即可调整这些参数。弱耦合的谐振器的所有优选实施形式-只要可以转移-也是单个谐振器的优选实施形式。
附图说明
有各种各样可以实施、改进本发明所述超声换能器的方法。为此可参阅从属于权利要求1以及权利要求8的权利要求以及结合附图对相关实施例所作的描述。附图中：
附图1示出了本发明所述超声换能器的横断面示意图，其中包括两个机械的谐振器，
附图2a、2b示出了本发明所述超声换能器在不同激励模式下的局部横断面示意图，
附图3示出了本发明所述超声换能器另一种实施例的横断面示意图，
附图4示出了另一种本发明所述超声换能器的横断面示意图，其具有锥形走向的谐振器，
附图5示出了另一种本发明所述超声换能器的横断面示意图，其具有阶梯式的谐振器，
附图6示出了一种本发明所述超声换能器的横断面示意图，其具有O形圈作为衰减元件，以及
附图7示出了一种本发明所述超声换能器的横断面示意图，具有填料作为衰减元件。
具体实施方式
附图1～7所示的超声换能器1具有：一个外壳2；一个布置在外壳2的第一区域3中的超声窗4，用来在超声换能器1的内部空间和超声换能器1的外部空间之间传递超声波；图中没有绘出超声波。
所有示出的超声换能器1还具有一个在外壳2中与超声窗4相邻的换能元件5，该换能元件在图中所示的情况下是一种压电晶体。这些附图均为示意图，仅展示为理解本发明所需的元件；例如没有完全绘出用来激励换能元件5以及从换能元件5中读出电信号所需的电气接线。也没有详细探讨外壳2的第一区域3的准确构造以及超声窗4的结构，这两者的构造可能非常复杂，但对于本发明而言无关紧要。无论超声换能器1的外壳2是否在第一区域3为单件或者多件结构，对本发明而言均无关紧要，可以设想各种不同的变型，并且从现有技术条件中已知不同的实施形式。
当超声换能器1作为发射器工作时，图中所示超声换能器1的首要目的是将换能元件5产生的超声波从外壳2的内部空间经由超声窗4传递到超声换能器的外部空间之中。特别有益的方式是将用来激励换能元件5的能量尽可能多地以超声波形式传递到外壳2的外部空间之中，因为这样可使得实际的有用信号最大，并且可获得良好的信噪比。
但仍然无法避免在外壳2的第一区域3和位于外壳2的第一区域3对面的外壳2的第三区域7之间经过外壳2的传导的第二区域6以壳波G形式传递一部分超声波。这些壳波G不仅会减小为实际想要的有用信号所需的功率，而且会串扰图中并未详细绘出的测量装置的其他部件、继续传递、并且在其他地方叠加直接传递的有用超声波上，这使得有用超声波的衡量变得困难。
外壳2的第三区域7在附图所示的所有实施例中均被设计成凸缘形式。在附图1中指出了壳波G的可能传递方向，双箭头表示不仅可以从外壳2的第一区域3向外射出壳波G，而且其也可以注入到外壳2的第三区域7之中，并且可以经过外壳2的传导的第二区域6朝向外壳2的第一区域3继续传播。
附图所示超声换能器1的特征在于：在外壳2的第二区域6中有两个在壳波G的传递方向依次设置的弱耦合的机械的谐振器8、9。按照附图所示的实施例，机械的谐振器8、9布置在外壳2之中，因为这样可以强迫壳波G必须经过谐振器8、9，以便从外壳2的第一区域3到达外壳2的第三区域7，反之亦然。一旦壳波G到达机械的谐振器8、9，就会将其能量-至少部分-积聚在谐振器8、9之中，因为可激励机械的谐振器8、9进行振动。这样就可以首先将借助壳波G所传递的-至少部分-能量限制在局部范围内。因此可以使得壳波G不受阻碍地从外壳2的一端到达超声换能器1的外壳2的另一端。首先在谐振器8、9中“捕捉”能量，然后-经过一段较长的延迟时间-重新释放出能量；这样可显著改善信噪比。由于每一个真正的谐振器也会有所衰减，因此会在谐振器8、9中将壳波G的一部分能量转变成热量，这部分能量将无论如何都不再以超声波形式释放。
谐振器8、9的特性特别有利于下列应用情况：超声换能器1或者换能元件5受到周期性脉冲激励，尤其是在谐振器振动再度消失的时间内受到激励。
附图1～7所示的超声换能器1具有机械的谐振器8、9，其固有频率在壳波G的频率范围内。这样就能够有选择性地捕获壳波G的频率成分或者减弱其从外壳2的第一区域3到外壳2的第三区域7以及相反的传递。
从附图1～7中可以看出，外壳2的传导的第二区域6在轴向延伸方向A上呈套筒状，壳波G也是基本上沿着延伸方向A在超声换能器1的外壳2中传播。如附图1～4以及6和7所示，两个谐振器8、9为空心环形状，每一个谐振器8、9均具有一个上扁壁10、一个下扁壁11、以及一个连接上扁壁10和下扁壁11的端壁12。端壁12相应环绕地连接上扁壁10和下扁壁11，从而当使用图中并未绘出的适当连接件在外壳的第三区域7中封闭外壳2时，就会使得超声换能器1的外壳2总体上密闭。
附图5所示的超声换能器1具有一个作为阶梯构成的谐振器8以及一个作为空心环构成的谐振器9。对于作为阶梯构成的谐振器8而言，上扁壁10和下扁壁11-在轴向延伸方向观察-使得套筒状外壳的直径增大或者说减小。而对于作为空心环构成的谐振器9而言，上扁壁10和下扁壁11则在轴向延伸方向A上相对而置。
如附图1～7所示，作为空心环构成的谐振器8、9均基本上在外壳2的第二区域6的轴向延伸方向A上定向，就此来看，表示空心环取向的面法线垂直于每一个空心环分别在扁侧所在的平面。在附图所示的实施例中，该面法线与表示轴向延伸方向A的中心线-同轴-重合在一起。外壳2的第二区域在空心环区域中在轴向延伸方向A上具有波形走向的壁断面。关键在于：在外壳2的第一区域3和外壳2的第三区域7之间没有直接的连接件，谐振器8、9从一定程度上讲仅仅“悬挂”在上面，而如果真是那样的话就无法有效利用这些谐振器，因为壳波G从一定程度上讲会在这种形式的谐振器上“一扫而过”。在附图所示的实施例中，壳波G实际上必定会经过机械的谐振器8、9。
附图1～7所示的实施例均为并非按照严格尺寸比例绘制的示意图。尤其在附图中并未按照尺寸比例绘出上扁壁10和下扁壁11的厚度与端壁12的厚度之间的比例。事实上这些实施例中的超声换能器1均被这样设计，使得在轴向延伸方向A上端壁12的刚度大于上扁壁10的刚度和下扁壁11的刚度。在如图所示的情况下，谐振器8、9的这些元件的刚度大约相差因数300，即端壁12的刚度比每一个谐振器8、9的上扁壁10的刚度和下扁壁11的刚度近似大因数300。这样就使得谐振器8、9在外壳2的轴向延伸方向A上并从而在壳波G的传递方向上特别能够振动。
可以非常方便地得出上扁壁10和下扁壁11相对于连接的端壁12的有利的几何关系，方法是引入基体的二次方截面惯性矩来计算这些元件在轴向延伸方向A中的刚度，就。如果上扁壁10和下扁壁11是在圆周上得到夹紧的环形盘且端壁12简化为横梁，那么就可以进行计算。
附图2a和2b所示为具有两个谐振器8、9的超声换能器1，且谐振器8、9处在振动状态。如附图2a所示，在第一种振动模式下激励谐振器8、9，上扁壁10和下扁壁11同向振动；而在附图2b中则在第二种振动模式下激励谐振器8、9，上扁壁10和下扁壁11反向振动。
附图6和7所示的超声换能器1具有衰减后的谐振器8、9。按照附图6所示的实施例，在超声换能器1的外壳2的外侧区域中有O形圈作为衰减元件13，且这些元件并非布置在谐振器8、9之间，而是在一个谐振器8、9和相邻的谐振器8、9外壳部分之间。这样就可避免强化谐振器8、9之间的耦合，同时能够有效衰减谐振器的振动。
附图7中的衰减元件13由一种填料构成，这种填料将谐振器8、9或者说作为空心环构成的谐振器8、9的空腔填满。通过这种衰减元件13也使得谐振器8、9之间的耦合不会得到强化。粘弹性材料也适合作为衰减元件13，只要能够保证不会将其从谐振器8、9或者谐振器之间的空隙向外挤出即可。对于O形圈来说可以使用基本上弹性的材料，即弹性体。