CN107306372A - 具有放射元件的超声波换能器 - Google Patents

Abstract

示出和描述一种用于超声波流量测量设备的超声波换能器，其具有换能器壳体、用于产生和/或用于接收超声波信号的换能器元件和放射元件，其中放射元件由换能器元件至少间接地加载超声波信号并且将超声波信号通过在放射元件的端侧上的端面放射到与超声波换能器相邻的周围环境中，和/或放射元件通过在放射元件的端侧上的端面从周围环境吸收超声波信号并且将超声波信号至少间接地传输到换能器元件上，尽管尺寸微小仍通过如下方式实现良好的方向作用：放射元件通过连接元件与换能器壳体连接，并且在放射元件的在端侧上的圆周上保持自由，使得放射元件能够在圆周上自由振动。

Description

具有放射元件的超声波换能器

技术领域

本发明涉及一种用于超声波流量测量设备的超声波换能器，所述超声波换能器具有换能器壳体、具有用于产生和/或用于接收超声波信号的换能器元件并且具有放射元件，其中所述放射元件由所述换能器元件至少间接地加载超声波信号并且将所述超声波信号通过在所述放射元件的端侧上的端面放射到与所述超声波换能器相邻的周围环境中，和/或所述放射元件通过在所述放射元件的端侧上的端面从周围环境吸收超声波信号并且将超声波信号至少间接地传输到所述换能器元件上。

背景技术

自长时间以来，所谈到的类型的超声波换能器根据现有技术是公知的。这样的超声波换能器例如被用于距离测量或者也被用于流量测量。流量测量常常以多普勒效应或者以渡越时间差测量为基础。

根据传输介质的物态，在超声波范围内的声学信号的不同的频率可以是特别有利的。这例如与超声波信号的取决于介质的物态的衰减相关联。在气态介质中，愿意使用比在液态介质中更低频率的超声波信号，因为低频超声波信号在气态介质中比更高频的信号更少地被衰减。

要发射或者要接收的超声波信号的频率也对超声波换能器的尺寸有影响。合理的是，超声波换能器在机械上被设计为使得能机械振动的并且被考虑用于信号放射或信号耦合输入的器件、尤其是放射元件在所希望的超声波频率的情况下尽可能地在振动模式的固有频率的范围内进行工作。因此，利用更低的频率来工作的超声波换能器一般具有比利用更高的频率来工作的超声波换能器更大的尺寸。然而，总之设计目标在于实现尽可能节约空间的机械结构。

在很多情况下同样值得期望的是，被发射到介质中的超声波信号由所述超声波换能器尽可能有针对性地反射，因此所述超声波换能器具有尽可能大的方向作用。优选地，信号功率应该以小的空间角度瓣状地（keulenartig）来放射，其中应避免旁瓣。旁瓣和一个宽的主瓣常常与如下缺点有关，在所述主瓣的边缘区域中放射的信号在构件或者管道壁或容器壁上被放射并且干扰真正的有效信号。

发明内容

因此，本发明所基于的任务在于说明一种超声波换能器，所述超声波换能器尽管尺寸微小仍实现良好的方向作用。

在按照本发明的超声波换能器中，该任务首先并且基本上通过如下方式来解决，即放射元件通过连接元件与换能器壳体连接并且在所述放射元件的在端侧上的圆周上保持自由，使得所述放射元件可以在圆周上自由振动。

通过按照本发明的结构措施，即所述放射元件可以在其圆周上自由振动，所述超声波换能器的孔径相对于公知的结构明显被增大。从现有技术公知的是，所述放射元件在其圆周上四周与壳体连接并且因而只能在中央振动，类似于在鼓中的通过圆周在外侧固定的振动薄膜。由于放射元件不再在圆周侧被固定，对于所述放射元件来说可能的是，以其完整的端面来振动，由此整个端面可以同样地有助于超声波产生和放射。由此，在所述端面的大小不改变的情况下并且在不必增大超声波换能器的外径的情况下，所述超声波换能器的有效孔径明显被增大。得到具有明显改善的方向作用的超声波换能器。

按照本发明的超声波换能器的一个优选的设计方案的特征在于，所述放射元件被构造为活塞，其中所述活塞具有活塞裙和活塞板，其中所述活塞板包括端面并且其中所述活塞至少部分地在换能器壳体之外延伸。所述活塞裙优选地具有第一端部和第二端部，其中优选地，在所述第一端部上布置有换能器元件并且在所述第二端部上布置有活塞板。换能器元件在活塞裙的第一端部处给所述活塞加载超声波信号，所述超声波信号穿过所述活塞并且在活塞板的端侧上被放射到周围环境中。优选地，所述活塞被实施并且被布置成使得整个活塞板被布置在换能器壳体之外。此外，所述活塞板优选地具有比所述活塞裙更大的直径。进一步优选地，活塞裙的中轴对应于活塞板的中轴。由于所述活塞板被布置在换能器壳体之外，所述活塞板的直径也可以被选择得大于所述换能器壳体的直径。因此，所述活塞板的设计方案与所述换能器壳体的设计方案无关，使得毫无困难地能够实现对更大的放射面、即端面的实现。

另一实施方式的特征在于，所述活塞裙至少部分地伸进换能器壳体。优选地，接着，所述活塞裙对中地伸进换能器壳体，因此在其边缘处周向地基本上具有与换能器壳体相同的间距。基本上如此，因为所述活塞裙可以以不同的方式来构造。因此，按照本发明的超声波换能器的一个优选的设计方案规定：所述活塞裙柱形地来构造。按照本发明的超声波换能器的一个设计方案的特征在于，所述活塞裙具有圆形的、矩形的或者四边形的横截面。

布置连接元件，使得所述连接元件在一个设计方案中将所述活塞裙与所述换能器壳体连接。由此确保了所述活塞板可以完全自由振动并且不受连接元件干扰，或者所述振动通过所述连接元件予以衰减。而在另一设计方案中规定，所述连接元件将所述活塞板与所述换能器壳体连接。因为按照本发明规定，所述放射元件在其包围进行放射的端面的端侧处可以自由振动，所以所述连接元件没有在外边缘与所述活塞板连接，更确切地说在活塞板中心实现所述连接。

按照本发明的超声波换能器的另一设计方案的特征在于，所述连接元件被设计为薄膜。所述薄膜具有微小的厚度并且优选地绕着所述放射元件的整个圆周包围所述放射元件。进一步优选地，所述薄膜是有弹性的。

如上面所实施的那样，所述超声波换能器或所述超声波换能器的能振动的元件如实际上每个能振动的***那样具有不同的振动模式。在一个优选的实施例中，超声波换能器被设计成使得在基本振动模式下，基本上所述连接元件实施所述振动，而所述放射元件基本上是不动的。因此，所述放射元件整个相对于壳体振动，所述放射元件通过连接元件与所述壳体连接。在这种情况下，超声波换能器的固有频率与薄膜的刚度成比例并且与所述放射元件的质量、尤其是所述活塞的质量成反比。因此，为了实现低的基本固有频率、即基本振动模式的固有频率（所述低的基本固有频率尤其是在测量气态介质时被证明为是有利的），在一个实施方式中规定：降低例如以薄膜的形式的连接元件的刚度。按照本发明，这通过如下方式来实现：增大薄膜面积、即被设计为薄膜的连接元件的面积。

因此，为了实现更大的薄膜面积，在一个优选的设计方案中规定：所述薄膜波浪形地来构造。在这种情况下，“波浪形”应被理解为所述薄膜具有突起和/或凹陷，然而所述突起和/或凹陷例如也可以被实现为阶梯、即可以通过棱边来形成。

在按照本发明的超声波换能器的一个特别优选的设计方案中，增大薄膜面积的附加的或者也本身存在的可能性通过如下方式来实现：所述活塞裙具有朝背离换能器元件的一侧至少部分地逐渐变细的横截面。特别优选地，使所述活塞裙成型为声学喇叭。接着，所述薄膜优选地抓牢在具有最小的横截面的部位处。然而，将所述活塞裙设计为声学喇叭不仅仅具有薄膜面积增大的效果。更确切地说，而且也本身有利地，通过将所述活塞裙设计为声学喇叭来实现所述活塞的阻抗与所要测量的介质的阻抗的适配。因此，所述声学喇叭充当声学转换器。

按照本发明的超声波换能器的一个优选的设计方案的特征在于，所述换能器壳体和所述连接元件，和/或所述连接元件和所述放射元件由一个零件来制造。不是所述超声波换能器的不同的区域的每个几何形状都适合于此，优选地在没有凹陷的情况下，尤其是旋转对称的具有圆柱形基本元素的几何形状在此适合。

为了简化制造或者也为了可以实现更复杂的几何形状，在按照本发明的超声波换能器的另一优选的设计方案中规定，所述换能器壳体和所述连接元件，和/或所述连接元件和所述放射元件相互焊接。因此，所述各个部件可以彼此独立地来制造并且然后才拼合，这可以是有利的。

为了控制振动，在按照本发明的超声波换能器的一个设计方案中规定，在所述放射元件与所述连接元件之间布置有弹性材料。当然，所述弹性材料应该对于要抑制的频率来说是在机械上进行衰减的，使得造成衰减，所述衰减尤其是对更高的振动模式有影响。

所述弹性材料例如可以通过弹性物质来实现，所述弹性物质被填充到中间空间内。特别优选地，所述弹性材料通过至少一个进行振动衰减的O形圈来实现。

附图说明

详细地，存在对按照本发明的超声波换能器进行设计和改进的多个可能性。对此，结合附图参阅从属于专利权利要求1的专利权利要求。在附图中：

图1a示出了来自现有技术的在静止状态下的传统的超声波换能器，

图1b示出了在图1a中示出的在动态状态下的超声波换能器，

图2a示出了按照本发明的在静止状态下或在基本振动的状态下的超声波换能器的第一设计方案，

图2b示出了在图2a中所示出的在更高的振动模式下的动态状态下的超声波换能器，

图3示出了按照本发明的具有弹性元件的超声波换能器的第二设计方案，

图4示出了按照本发明的超声波换能器的第三设计方案，其中有利地成型有活塞裙，

图5示出了来自图4的具有波浪形构造的薄膜作为连接元件的超声波换能器，

图6示出了按照本发明的超声波换能器的第五设计方案，以及

图7示出了按照本发明的超声波换能器的第六设计方案。

具体实施方式

在图1a中以简化图示出了从现有技术公知的超声波换能器1。超声波换能器1包括换能器壳体2和换能器元件3。超声波信号通过换能器元件3来产生，并且通过放射元件4（这里被实现为超声波窗）放射到与超声波换能器1相邻的周围环境中。所述放射通过放射元件4的端面5来实现。

在图1b中示出了超声波换能器1的动态状态。超声波信号通过端面5来放射。如在图1b中明显可见，从现有技术公知的超声波换能器1的端面5只是在中央进行振动，因为放射元件4在其整个圆周上都与换能器壳体2连接。通过对放射元件4固定的机械边界条件来预先确定：放射元件4始终在其中央区域内具有所述放射元件4的最大的振动幅度，其中所述振动幅度朝放射元件4的圆周降低。

图2a示出了按照本发明的超声波换能器1。超声波换能器1具有换能器壳体2和换能器元件3。换能器元件3产生超声波信号并且将所述超声波信号传输到放射元件4上。接着，这些信号通过在放射元件4的端侧6上的端面5被放射到与超声波换能器1相邻的周围环境中。在下文中，也将超声波换能器1描述为发送器，然而将同一超声波换能器1用作接收器也是可能的。于是，放射元件4通过其在端侧6上的端面5吸收来自周围环境的超声波信号，并且将所述超声波信号传输到换能器元件3上，这在这里通过压电元件来实现。因此，可以将自由吸收的机械振动转换成电信号。

放射元件4通过连接元件7与换能器壳体2连接。连接元件7被设计为有弹性的、能振动的薄膜10。

连接元件7与放射元件4连接，使得放射元件4在其在端侧6上的圆周U上保持自由并且可以在其圆周U上自由振动。借此是指：放射元件4能在其圆周U上***并且放射元件4的圆周U无论如何都不受阻碍，参与整个放射元件4的运动。由于放射元件4不再在圆周侧被固定，对于所述放射元件4来说可能的是，以其完整的端面5来振动，由此整个端面5可以同样有助于超声波产生和放射。由此，在端面5的大小不改变的情况下并且在不必增大超声波换能器1的外径的情况下，超声波换能器1的有效孔径明显被增大。这在图1和2的直接比较中是特别明显的。在图2中，得到具有明显改善的方向作用的超声波换能器1，因为在端面5的整个范围内可以产生并行的波前，这在按照图1的超声波换能器1的情况下原理决定地是不可能的。

放射元件4本身被设计为活塞并且具有活塞裙8和活塞板9。活塞裙8伸进换能器壳体2，而活塞板9被布置在换能器壳体2之外。由此能够实现，活塞板9甚至可具有比壳体2的内径更大的直径。因此，端面5的大小与换能器壳体2的尺寸无关。然而，当端面5没有被选择得比壳体2的内径更大时，也得到优点，这在于放射元件4的圆周U在活塞板9的区域内的自由运行性。

在图2a中表明：可以如何通过结构来实现超声波振动的直的、并行的相位波前，所述相位波前伴随有突出的方向作用。

图2b示出了在图2a中所示出的在更高的振动模式下的动态状态下的超声波换能器1，所述更高的振动模式可以与基本振动模式同时被激励。因此，示出了超声波换能器1的两个叠加的振动模式。在第一模式下，薄膜10基本上被移动或被激励到振动，在第二模式下，活塞板9基本上振动起来。在示意性的图2b中，这依据弯曲的活塞板9以夸张描绘的方式来示出，所述弯曲的活塞板9的圆周区域U相对于活塞板9的中央区域向下移动。

在图3中示出了按照本发明的超声波换能器1的一种设计方案，其中在被设计为薄膜10的连接元件7与活塞板9之间的区域11内布置有O形圈12。这些O形圈尤其是用于使没有通过换能器元件3直接激励的谐振衰减。

此外，超声波换能器1具有法兰13，用于固定所述超声波换能器1。

超声波换能器1的固有频率与被设计为薄膜10的连接元件7的刚度成比例。为了降低薄膜10的刚度，并且借此将超声波换能器1的固有频率移动到更低的频率，超声波换能器的在图4中所示出的实施方式具有被成型为声学喇叭14的活塞裙8。活塞裙8朝着所述活塞裙8的背离换能器元件3的一侧逐渐变细。薄膜10在具有最小直径的部位处与活塞裙8连接。由此，在结构上增大了连接元件7的薄膜10的可运行的面积。

超声波换能器1的在图5中所示出的实施方式与在图4中所示出的实施方式的区别在于，波浪形地构造薄膜10。由此，还进一步增大了薄膜10的弹性，或进一步降低了薄膜10的刚度，这导致了与图4中的实施方式相比更低的基本固有频率。

图6示出了一种超声波换能器1，其中所述薄膜不是与活塞裙8连接，而是与活塞板9连接。尽管如此，活塞板9在其圆周U上保持自由，使得所述活塞板9可以自由振动。

在图7中示出了超声波换能器的另一实施方式。薄膜10在此被设计成使得所述薄膜10将整个换能器壳体2封闭。接着，放射元件4在薄膜10的背离换能器元件3的一侧与所述薄膜10连接。在所述换能器元件3与所述薄膜10之间布置有传导元件15，所述传导元件15将由换能器元件3产生的超声波信号通过薄膜10转交给放射元件4。因此，这里间接地通过传导元件15和薄膜10并且不直接地如在超声波换能器1的在图2至6中所示出的设计方案中那样给放射元件4加载超声波信号。

附图标记

1 超声波换能器

2 换能器壳体

3 换能器元件

4 放射元件

5 放射元件的端面

6 放射元件的端侧

7 连接元件

8 活塞裙

9 活塞板

10 作为连接元件的薄膜

11 在薄膜与活塞板之间的区域

12 O形圈

13 法兰

14 声学喇叭

15 传导元件

U 放射元件的圆周

Claims (12)

1.用于超声波流量测量设备的超声波换能器（1），所述超声波换能器（1）具有换能器壳体（2）、用于产生和/或用于接收超声波信号的换能器元件（3）和放射元件（4），其中所述放射元件（4）由所述换能器元件（3）至少间接地加载超声波信号并且将所述超声波信号通过在所述放射元件（4）的端侧（6）上的端面（5）放射到与所述超声波换能器（1）相邻的周围环境中，和/或所述放射元件（4）通过在所述放射元件（4）的端侧（6）上的端面（5）从周围环境吸收超声波信号并且将所述超声波信号至少间接地传输到所述换能器元件（3）上，

其特征在于，

所述放射元件（4）通过连接元件（7）与所述换能器壳体（2）连接，并且在所述放射元件（4）的在所述端侧（6）上的圆周（U）上保持自由，使得所述放射元件（4）能够在所述圆周（U）上自由振动。

2.根据权利要求1所述的超声波换能器（1），其特征在于，所述放射元件（4）被构造为活塞，其中所述活塞具有活塞裙（8）和活塞板（9），其中所述活塞板（9）包括端面（5）并且其中所述活塞至少部分地在所述换能器壳体（2）之外延伸。

3.根据权利要求2所述的超声波换能器，其特征在于，所述活塞裙（8）至少部分地、尤其是居中地伸进所述换能器壳体（2）。

4.根据权利要求2或3所述的超声波换能器，其特征在于，所述活塞裙（8）柱形地来构造。

5.根据权利要求2至4之一所述的超声波换能器，其特征在于，所述活塞裙（8）具有圆形的、矩形的或者四边形的横截面。

6.根据权利要求1至5之一所述的超声波换能器（1），其特征在于，所述连接元件（7）被设计为薄膜（10）。

7.根据权利要求6所述的超声波换能器（1），其特征在于，所述薄膜（10）波浪形地来构造。

8.根据权利要求2至7之一所述的超声波换能器（1），其特征在于，所述活塞裙（8）具有朝背离所述换能器元件（3）的一侧逐渐变细的横截面，尤其是被成型为声学喇叭（14）。

9.根据权利要求1至8之一所述的超声波换能器（1），其特征在于，所述换能器壳体（2）和所述连接元件（7），和/或所述连接元件（7）和所述放射元件（4）由一个零件来制造。

10.根据权利要求1至9之一所述的超声波换能器（1），其特征在于，所述换能器壳体（2）和所述连接元件（7），和/或所述连接元件（7）和所述放射元件（4）相互焊接。

11.根据权利要求1至10之一所述的超声波换能器（1），其特征在于，在所述放射元件（4）与所述连接元件（7）之间布置有弹性材料。

12.根据权利要求11所述的超声波换能器（1），其特征在于，所述弹性材料通过至少一个O形圈（12）来实现。