CN110972494A - 用于通过meta平板测量流速的超声换能器 - Google Patents
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Abstract
一种包括应用meta平板的超声换能器包括：压电体，其配置成产生弹性波；meta平板，其与所述压电体连接并配置成针对入射在meta平板的弹性波引起弹性波模态转换共振；以及楔形物，其与所述meta平板连接并附接至管道的外表面，且配置成将穿过所述meta平板的弹性波传播至所述管道。所述meta平板包括各向异性介质且meta平板的厚度满足以下式：d＝m·nFS·λFS/4，d＝m·nSS·λSS/4，nSS/2‑nFS/2＝odd。因此，可以进行高效的流速测量。
Description
技术领域
本公开涉及一种利用meta平板作为用于弹性波的模态转换的各向异性介质的超声换能器，以及一种利用超声换能器测量流速的方法。
背景技术
在诸如电磁波、声波，及弹性波等的与波有关的领域中，利用仅考虑单一模式的
共振的
干涉仪应用于各种领域。
当波穿过单层或多层时，多个内部反射和波干扰发生于层中。换句话说，在单层的情况下，单模入射波在单层的厚度为入射波半波的整数倍的法布里-珀罗(Fabry-Perot)共振频率下，能够100％穿过单层。另外，在多层的情况下也存在入射波能够100％穿过多层的
共振频率。
在弹性波的情况下，其与电磁波或声波不同，由于固体原子在介质中耦合，因此皆存在纵向波及横向波。当这些弹性波穿过任何各向异性层或被各向异性层反射时，由于与各向异性介质中存在的弹性波模式的耦合，弹性波的波动可以容易地从纵向波转换成横向波或从横向波转换成纵向波。
然而，即使存在这些波动的模态转换，迄今为止，还没有开发到解释与多模式(纵向波及横向波)有关的各向异性介质的穿过现象的理论或能够实现各向异性介质的穿过的技术。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供包括meta平板(meta slab，超材料平板)的用于测量流速的超声换能器，所述meta平板包括用于弹性波的模态转换的能够通过应用模态转换
共振来在纵向波和横向波之间进行高效的模态转换的各向异性介质。
技术方案
另外的方面将部分地阐述在下面的描述中，并且部分地从描述中将是显而易见的，或者可以通过实践所呈现的实施例而获知。
根据一个或多个实施例，一种应用meta平板的超声换能器包括：压电体，其配置成产生弹性波；meta平板，其与压电体连接并配置成引起弹性波模态转换共振；以及楔形物，其与所述meta平板连接并附接至管道的外表面，且配置成将穿过所述meta平板的弹性波以第一入射角传播至所述管道，其中，所述meta平板包括各向异性介质，且所述meta平板的厚度满足以下式(1)：
(d：meta平板的微观结构的单元体长度，m：为奇数的整数，nFS及nSS：分别与快速倾斜模式和慢速倾斜模式对应的互素整数，λFS：快速倾斜模式波长，λSS：慢速倾斜模式波长，以及odd：为奇数的整数)。
根据本公开的一实施例，所述meta平板可以满足以下式(2)以实现阻抗匹配：
(Z：meta平板的阻抗，ρ：meta平板的质量密度，C11：meta平板的有效纵向弹性模量，C66：meta平板的有效横向弹性模量，C16：meta平板的模式耦合弹性模量，ρ0 A：入射到所述meta平板的弹性波所来自的背景介质的质量密度，c11 A：入射到所述meta平板的弹性波所来自的背景介质的纵向弹性模量，ρ0 B：弹性波穿过meta平板所进入的背景介质的质量密度，以及c66 B：弹性波穿过meta平板所进入的背景介质的横向弹性模量)。
meta平板的有效纵向弹性模量有效横向弹性模量可以彼此相同，且快速倾斜模式和慢速倾斜模式的波振动方向可以分别形成+45度和-45度。
根据本公开的一实施例，所述meta平板的模式耦合弹性模量可以满足以下式(3)：
根据本公开的一实施例，楔形物的材料和meta平板的材料可以考虑到管道的材料来适当选择。例如，当管道的材料是选自聚合物树脂组中的一种聚合物树脂时，聚合物树脂可以被选择为楔形物的材料和/或meta平板的材料。当管道的材料是金属时，例如，铝或不锈钢可以被选择为楔形物的材料和/或meta平板的材料。
根据一个或多个实施例，流速测量装置利用两个应用meta平板的超声换能器作为发射器和接收器。
根据一个或多个实施例，一个包括应用meta平板的超声换能器的流速测量方法包括：产生弹性波，其中所述产生由第一压电体执行；接收由第一压电体产生的弹性波；接收穿过第一meta平板的弹性波，其中所述接收由第一楔形物执行；使弹性波以第一入射角入射到管道，其中所述使弹性波入射由所述第一楔形物执行；接收穿过所述管道的弹性波，所述接收由第二楔形物执行；接收穿过第二楔形物的弹性波；感测穿过所述第二meta平板的弹性波，其中所述感测由第二压电体执行；以及通过利用所述感测的弹性波来根据以下式(4)确定在管道中流动的流体的流速：
有益效果
根据本公开的实施例，应用包括满足发生模态转换共振的条件的各向异性介质的meta平板的用于流速测量的超声换能器可以实现超高效流速测量或可以测量在管道内的流体中包括的诸如杂质之类的粒子的浓度。
附图说明
通过以下结合附图的对实施例的描述，这些和/或其他方面将变得显而易见，并且更容易理解，其中：
图1示出根据本公开一实施例的包括meta平板的超声换能器；
图2示出根据本公开一实施例的形成meta平板的各向异性介质的显微结构的示例；
图3A和图3B示出分别根据本公开一实施例的分别包括设置于管道的meta平板的超声换能器发射器和超声换能器接收器，且meta平板与楔形物分开或形成为一体；
图4示出根据本公开一实施例的包括meta平板的超声换能器实现了meta平板与在meta平板之前及之后的背景介质之间的阻抗匹配；
图5示出根据本公开一实施例的包括满足四个确保能够进行完全模态转换的条件的meta平板的超声换能器的模态转换率与现有的超声换能器的模态转换率进行比较；
图6A和图6B分别示出利用已知的斯奈尔临界角原理的超声换能器和根据本公开一实施例的包括meta平板的超声换能器，且图6C示出图6A和图6B的两个超声换能器之间的输出电压的比较；
图7示出当使用由塑料形成的楔形物的根据本公开的实施例的包括meta平板的超声换能器与使用由类似于管道的材料的金属材料形成的楔形物的根据本公开的实施例的包括meta平板的超声换能器时的界面和透射率的比较。
图8示出在由根据本发明一实施例的包括meta平板的超声换能器构成的流速测量装置中的流速测量方法。
具体实施方式
由于本公开允许各种改变和众多实施例，因此将在附图中示出并且在书面说明中详细描述特定实施例。然而，这并不旨在将本公开限制为特定的实践模式，并且应当理解，在不背离本公开的精神和技术范围的情况下，所有改变，等同物和替代物都包含在本公开中。术语"第一"、、"第二"等可以用于描述各种组件，但这些组件不应受术语限制。
以上术语仅用于区分一个组件和另一个组件。本公开中使用的术语仅用于描述特定实施例，而无意于限制本公开。在本公开中，除非上下文另有明确规定，否则单数形式包括复数形式。
在本公开中，诸如“包括”或“具有”等术语旨在表示本公开中所公开的特征、数量、步骤、操作、组件，部件或其组合的存在，且不旨在排除可能存在或可以添加一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、组件，部件或其组合的可能性。
除非有不同的定义，否则在本公开中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。还将理解的是，术语，诸如在常用词典中定义的术语，应被解释为具有与相关领域中它们的含义一致的含义，且除非在此明确定义，否则将不会以理想化或过于正式的意义进行解释。
现在将参考附图更全面地描述本公开的示例性实施例。
1.一种包括meta平板的超声换能器及利用超声换能器的流速测量装置
图1为概略示出根据本公开一实施例的包括meta平板的超声换能器的示意图。
参考图1，根据本公开一实施例的超声换能器包括压电体100，其根据电信号产生弹性波；meta平板101，其与压电体100连接并针对压电体100产生的弹性波引起弹性模态转换共振；以及楔形物102，其与meta平板101连接，一侧与管道103连接，接收穿过meta平板101的弹性波，且使所接收的弹性波以一定的入射角入射到管103上。
所述压电体100根据外部操作产生弹性波，且可以使用能够产生弹性波的另一代替物来代替压电体100。除非在上下文中明确或明白地排除，否则根据本公开一实施例的压电体可以包括背衬材料，其与压电体的一表面连接来吸收压电体产生的信号。压电体产生的信号传播到压电体的两个表面。此时，背衬材料可以存在于与传播或接收信号的方向相反的另一侧来吸收压电体产生的信号。
meta平板101可以针对由压电体100产生的弹性波执行模态转换，且可以包括用于弹性波模态转换的各向异性介质。meta平板101可以由作为与管道材料类似的材料的金属如不锈钢或铝来制成，或由诸如聚醚醚酮(PEEK)、丙烯酸或聚氯乙烯(PVC)的聚合物树脂制成。虽然稍后将描述，meta平板101可以与楔形物102分开制造且附接到楔形物102，或可以与楔形物102形成一体在楔形物102中。
横向模式超声波在介质振动方向、相速度，及衰减因子等方面肯定不同于纵向模式超声波。例如，与现有的纵向模式超声波相比，横向模式超声波能够用于以高灵敏度和高能量效率检测管道的缺陷或管道内流体的流速。然而，已知基于压电元件的现有超声换能器在纵向波的产生和测量方面是良好的，但在横向波的选择性激励方面是困难的。根据现有技术，由现有的超声换能器产生的纵向波通过利用塑料楔形物来转换成横向波。但是，众所周知，由于材料特性的差异，能量损失在楔形物与换能器之间以及样品(在这种情况下为管道)和楔形物之间的界面上是显着的。相反，根据本发明一实施例，由压电体产生的纵向弹性波通过利用包括用于弹性波模态转换的各向异性介质的meta平板来转换成横向弹性波，且楔形物由与管道类似的材料制成，从而最小化超声波的能量损失。
楔形物102通过meta平板101接收模态转换的弹性波且将接收的弹性波传播到管道103。在图1，压电体100和meta平板101连接至楔形物102的倾斜表面。倾斜表面的角度使弹性波穿过meta平板101然后入射到管道103上。并且入射角可以通过倾斜表面的角度来调节。压电体100和meta平板101可以被附接到非倾斜的平坦表面，使得弹性波可以垂直地入射到管道103上。
根据本发明的一实施例，管道103是作为测量流速的对象的流体104的通道。取决于流体104的物理性质或其他因素，管道103的材料可以包括金属(铝或不锈钢)、天然树脂、合成树脂、聚合物树脂(PVC等)，或其他材料。管道103可以具有多种横截面形状中的任何一种，例如圆形或长方形，且管道103的内径和外径可以根据气体的物理性质、内部和外部温度等而变化。尽管在图中示出了管道，管道是测量目标的示例，并且本公开适用于其他几种形状的样本。
尽管未在图中详细示出，楔形物102可以利用夹紧方式来联接到管道。因此，在这种情况下，楔形物102可以在无需单独的结构的情况下安装在管道103上。然而，可以利用几种其他方法来安装根据本公开的超声换能器，如超声换能器与管道形成为一体，且安装根据本公开的超声换能器的方法不限于特定方法。
图2示出根据本公开一实施例的用于形成meta平板的各向异性介质的微观结构。用于形成根据本公开一实施例的meta平板的各向异性介质可以通过周期性地设置具有特定图案的微观结构来形成。所述微观结构可以由基于具有一定图案的单元体在厚度方向上具有单一结构的单层形成，或可以由基于具有定图案的单元体在厚度方向上具有两个或更多个结构的多层形成。附图标记201是具有单层微观结构的各向异性介质的图示，且附图标记202是具有多层微观结构的各向异性介质的图示。微观结构的图案间隔可以被选择或调整至小于入射弹性波的波长或与入射弹性波的波长相似的水平。尽管在图2中仅示出了特定图案的微观结构，单元体可以具有可以是各向异性介质的微观结构，并且还可以任何其他图案来实现。
微观结构的重复图案可以利用通过各种类型的机械加工(例如，线切割和激光切割)或电解加工在用于形成meta平板的基础材料上制造孔或凹槽的方法来制造，或可以利用在基础材料上制作孔或凹槽，然后用另一种材料填充该孔或凹槽的方法来制造，且微观结构的重复图案也可以利用任何其他方法来制造。填充孔或凹槽的用于形成微观结构的材料以是固体或流体。
根据稍后将描述的本公开一实施例，超声换能器的完全模态转换共振的频率(fFMC)越低，则单元体的长度(d)越大。在这种情况下，由于空间限制，构造单层的meta平板比构造多层的meta平板可能更有利，并且即使利用单层的meta平板，也可以实现完全模态转换共振。
图3A和图3B示出分别包括根据本公开一实施例的设置于管道的meta平板的超声换能器发射器和超声换能器接收器，且meta平板与楔形物分开或形成为一体。
在图3和图4中，利用根据本公开一实施例的超声换能器的流速测量装置包括两个超声换能器，其中一个可用作流速测量的弹性波的发射器，另一个可用作流速测量的弹性波的接收器。尽管在图3A和图3B中的两个超声换能器沿相反方向设置，但在某些情况下，两个超声换能器可以在相同的方向下彼此分开设置。尽管在图3A和图3B中的两个超声换能器以一定距离倾斜设置，但在某些情况下，两个超声换能器可以彼此平行设置。例如，可以以本领域普通技术人员能够实施的各种方法来设置两个超声换能器，以传播和接收弹性波以及具有期望的入射角形状和期望的反射角形状。
将图3A与图3B进行比较，图3A的meta平板302在压电体301和楔形物303之间，并且是与楔形物303分离的结构并附接到楔形物303一侧(分离型)。但是，图3B的meta平板306形成在楔形物307的一部分中与楔形物307形成一体，且压电体305附接到楔形物307的一表面以与楔形物307分离。(一体型)
根据图3B的本公开一实施例的meta平板306可以以各种方式在楔形物307内形成。例如，当楔形物307由铝形成时，meta平板306可以通过经由线切割在楔形物307的一部分中重复形成单元体的微观结构图案来制造，且可以利用任何其他方法制造。根据图3B的本公开一实施例的meta平板306可以形成在楔形物307中与压电体305接触，且可以形成在楔形物307中与压电体305不接触。当meta平板形成在楔形物中并且在弹性波朝向管道308的路径上(其中，弹性波由压电体产生)，meta平板不需要靠近压电体。
尽管图3A和图3B示出了在其间具有管道304的meta平板分离型超声换能器及其间具有管道308的meta平板一体型超声换能器，本公开的实施例不限于此。发射器和接收器中的一个可以利用meta平板分离型超声换能器来实现，而另一个可以利用meta平板一体型超声换能器来实现。
根据本公开一实施例，由于meta平板和楔形物可以如上所述分离地或一体地形成，除非另有说明或描述，术语“连接”(例如，当将meta平板与楔形物连接时)应解释为皆涵盖分离型和一体型。换句话说，如以上关于本公开所述的，术语“连接”应理解为不仅包括将meta平板制造为与楔形物分离的部件并与楔形物连接的情况，还应包括将meta平板制造为楔形物的一部分的情况。
2.meta平板产生高效的模态转换共振的条件
根据本公开一实施例，考虑到超声换能器和作为测量对象的管道的物理特性，高效的模态转换共振可以在特定频率下发生。现在将描述在本公开的实施例中可满足的四个条件。
(1)多模式λ/4波长条件
根据本公开一实施例，当meta平板的单元体的长度满足以下式(1)时，满足了当前条件。
(d：meta平板的单元体的长度，m：为奇数的整数，nFS及nSS：分别与快速倾斜模式和慢速倾斜模式对应的互素整数，λFS：快速倾斜模式波长，λSS：慢速倾斜模式波长)
其中，nFS及nSS表示在特定频率下长度为d的meta平板的单元体内存在多少1/4波长的快速倾斜模式和慢速倾斜模式的指标。
(2)阻抗匹配条件
为了高效的模态转换，需要将meta平板的有效阻抗Z与所述meta平板的外部背景介质的阻抗匹配。图4示出根据本公开一实施例的包括meta平板的超声换能器实现了meta平板与在meta平板之前及之后的背景介质之间的阻抗匹配。在图4的a和b中，弹性波入射到介质A，并通过meta平板传播到介质B。
图4的a是meta平板两侧的介质为不同的情况。在这种情况下，与介质匹配的meta平板的有效阻抗Z可以以表示为以下式(2a)。
(Z：meta平板的有效阻抗，ρ：meta平板的质量密度，C11：meta平板的有效的纵向弹性模量，C66：meta平板的有效的横向弹性模量，C16：meta平板的模式耦合弹性模量，ρ0 A：介质A的质量密度，c11 A：介质A的纵向弹性模量，ρ0 B：介质B的质量密度，c66 B：介质B的横向弹性模量)
图4的b是meta平板两侧的介质为相同，即介质A的情况。在这种情况下，由于两侧的介质具有相同的物理特性，如下将式(2a)简化成式(2b)。
(Z：meta平板的有效阻抗，Z0：介质A的阻抗，ρ0：介质A的质量密度，C11：meta平板的有效的纵向弹性模量，C66：meta平板的有效的横向弹性模量，C16：meta平板的模式耦合弹性模量，c11：介质A的纵向弹性模量，c66：介质A的横向弹性模量)
在根据本公开一实施例的超声换能器中，当meta平板与楔形物分离时，由压电体产生的弹性波穿过meta平板并入射到楔形物上，因此，在上述式(2a)和式(2b)中的介质A对应于压电体，且在上述式(2a)和式(2b)中的介质B对应于楔形物。当meta平板与楔形物为一体时，meta平板包括在楔形物中，因此，介质A和B都是楔形物，且可以利用式(2b)。
(3)极化条件
为了实现完全模态转换，需要满足以下式(3)，以使快速倾斜模式和慢速倾斜模式的波振动方向大约为±45度。
(4)弱模式耦合条件
meta平板的模式耦合弹性模量C16不是0，且在同时需要足够小于C11及C66，并优选为等于或小于C11及C66的平均值的50％(式(4))。
当满足上述四个条件时，meta平板的弹性模量和质量密度通过以下式(5)算出。
其中η是meta平板的有效的纵向弹性模量与有效的横向弹性模量的比例(C11/C66)，并作为用于meta平板的物理性质的调整因子，且可以调节大约为1，fFMC是发生完全模态转换的频率。
通过满足上述的四个条件而引起1/4波长模态转换共振的meta平板可以实现几乎接近100％的模态转换率。相反，在现有的1/2波长模态转换共振中，由于背景物质的物理性质的影响，完全模态转换是困难的。
图5示出通过利用COMSOL
建模软件的仿真结果将根据本公开一实施例的包括满足四个完全模态转换的条件的meta平板的超声换能器的模态转换率与现有的超声换能器的模态转换率进行比较。
图5中的a示出根据现有技术的计算出的模态转换率。在现有的1/2波长模态转换共振中，由于背景介质的泊松比增加，meta平板的模态转换率下降。例如，当背景介质的泊松比为0.431，在现有的1/2波长模态转换共振中，在完全模态转换频率fFMC下，模态转换率仅为43.1％。另一方面，图5中的b示出当满足根据本公开的完全模态转换条件时的计算的模态转换率，且不管背景介质的泊松比如何，在fFMC的模态转换率都等于或大于99.5％。
3.由于楔形物的物质调节的输出电压振幅的改善
为了增加对水的能量传播，横向波需要入射到管道上。当现有的塑料楔形物用于在特定的角度范围内入射到楔形物的纵向波时，模态转换发生，且这些波作为横向波折射到管道。但是在此过程中，由于能量透射率低，因此会损失大量能量。然而，当使用与具有与管道相似阻抗的meta平板结合的楔形物时，从楔形物折射到管道的横向波的能量透射率可以保持较高。
根据本公开的一实施例，楔形物的材料和meta平板的材料(当meta平板与楔形物成为一体时)可以考虑到管道的材料来适当选择。例如，如管道的材料是选自聚合树脂组的的聚合树脂，楔形物和/或meta平板的材料可以从具有相同或相似阻抗特性的聚合物树脂的一种或多种组合中适当选择。当管道的材料是金属时，与管道具有相同或相似阻抗特性的金属，例如铝或不锈钢，可以被选择为楔形物和/或meta平板的材料。本领域普通技术人员可以根据本公开的实施例，通过适当地选择楔形物和meta平板的各自的材料来将楔形物和meta平板设计成具有与管道相似的阻抗。
图6A和图6B分别示出利用现有的斯奈尔临界角原理的超声换能器和根据本公开一实施例的包括meta平板的超声换能器，且图6C示出图6A和图6B的两个超声换能器之间的输出电压的比较。
在图6A中，由可能包括超声波背衬材料601的压电体602产生的弹性波直接穿过塑料楔形物603并入射到管道604上，然后进入管道604上的与塑料楔形物603相反的一侧上的楔形物605，并由压电体606感测。在感测之后剩余的信号被背衬材料607吸收。
另一方面，在图6B，meta平板609一体地形成在楔形物610中，且楔形物610是铝，其类似于管道611的材料。在图6B，由压电体608产生的弹性波穿过其中嵌入有meta平板609的楔形物610并入射到管道611上，然后进入在管道611上的与楔形物610相反的一侧上的楔形物612并穿过meta平板613，且由压电体614感测。同样在图6B中，根据本公开的其中嵌入有meta平板的超声换能器可以分别在发射器和接收器的压电体608和614的外侧上包括背衬材料。
图6C示出对图6A的利用现有塑料楔形物的超声换能器和图6B的利用铝楔形物的超声换能器施加相同的正弦波电压(1Vpp，410kHz，20个周期)之后测量的输出电压。包括利用相似材料(铝)的楔形物的图6B的超声换能器所提供的输出电压大于由包括现有的塑料楔形物的图6A的超声换能器提供的输出电压三倍或更多倍。根据本公开的多个实施例，输出电压的改善程度可能会有所不同。如上所述的输出电压的增加使根据本公开一实施例的超声换能器能够以比用于流速测量的现有的超声换能器更大的直径来测量管道内的流体的流速。
图7示出当使用由塑料形成的楔形物的根据本公开的实施例的包括meta平板的超声换能器与使用由与类似于管道的材料的金属材料形成的楔形物的根据本公开的实施例的包括meta平板的超声换能器时的界面和透射率的比较。在图7中的a，塑料楔形物701被附接到不锈钢管道702。图7中的b示出在图7中的a的超声换能器中的能量透射率。在图7中的b，由于塑料楔形物701与不锈钢管道702之间的阻抗差异，在塑料楔形物701与不锈钢管道702之间的界面处的横向波的能量透射率最大仅为28％。在图7中的c，铝楔形物703被附接到不锈钢管道704。尽管根据本实施例利用了铝楔形物，可以利用包括与不锈钢等类似的材料的楔形物。在图7中的d，横向波的能量透射率达到98％。当能量透射率大时，由超声换能器的接收器检测到的信号增加，从而有利于信号处理。
4.利用包括meta平板的超声换能器的流速测量方法
图8示出在由根据本发明一实施例的包括meta平板的超声换能器构成的流速测量装置中的流速测量方法。彼此相对的超声换能器801和802之间具有管道800，超声换能器801和802用作发射器，同时也用作接收器。当超声换能器801首先产生弹性波并将纵向波转换为横向波，且横向波入射到管道800时，横向波形式的弹性波穿过管道800中的流体803且到达管道800上的与超声换能器801相反的一侧上的超声换能器802。此时，弹性波的传播方向与流体803的流动方向相同。这被称为上游804。相反，当超声换能器802用作发射器和超声换能器801用作接收器时，因此超声换能器802传播弹性波到超声换能器801时，弹性波沿与流体803的流动方向相反的方向传播。这被称为下游805。可以通过利用以下式(6)来计算由于上游804和下游805各自的过渡时间差的流体803的流速。
(V：流体803的流速，D：管道800的内径，θ3 L：流体803中的纵向波传播角，Δt1：上游804的过渡时间差，Δt2：下游805的过渡时间差)
尽管上面仅描述了利用根据本公开实施例的超声换能器流速测量方法，本领域普通技术人员可以使用根据本公开的超声换能器流速来实现各种应用方法。这些应用方法都包括在本公开的范围内。
尽管已经参照本公开的示例性实施例具体示出和描述了本公开，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离由本公开权利要求定义的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。
尽管已经参考附图描述了一个或多个实施例，但是本领域普通技术人员将理解，可以在不脱离于以下权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下对形式和细节进行各种改变。
Claims (19)
1.一种包括应用meta平板的超声换能器的流速测量装置，所述流速测量装置包括：
第一压电体，其配置成产生弹性波；
第一meta平板，其与所述第一压电体连接并配置成针对入射在所述第一meta平板的弹性波引起第一弹性波模态转换共振；
第一楔形物，其与所述第一meta平板连接并附接至管道的外表面，且配置成将穿过所述第一meta平板的弹性波以第一入射角传播至所述管道，
第二楔形物，其附接至所述管道的外表面并配置成接收穿过所述管道的弹性波；
第二meta平板，其与所述第二楔形物连接并配置成针对入射在所述第二meta平板的弹性波引起第二弹性波模态转换共振；
第二压电体；其与所述第二meta平板连接并配置成接收弹性波，
其中，
所述第一meta平板和所述第二meta平板包括各向异性介质，且所述第一meta平板和所述第二meta平板的长度分别满足以下式(1)：
(d：meta平板的微观结构的单元体长度，m：为奇数的整数，nFS及nSS：分别与快速倾斜模式和慢速倾斜模式对应的互素整数，λFS：快速倾斜模式波长，λss：慢速倾斜模式波长，以及odd：为奇数的整数)，并且
所述第一meta平板和所述第二meta平板的微观结构包括单层或多层结构。
2.根据权利要求1所述的流速测量装置，其中，
所述第一meta平板满足以下式(2)：
(Z：第一meta平板的阻抗，ρ：第一meta平板的质量密度，C11：第一meta平板的有效纵向弹性模量，C66：第一meta平板的有效横向弹性模量，C16：第一meta平板的模式耦合弹性模量，ρ0 A：入射到所述第一meta平板的弹性波所来自的背景介质的质量密度，c11 A：入射到所述第一meta平板的弹性波所来自的背景介质的纵向弹性模量，ρ0 B：弹性波穿过第一meta平板所进入的背景介质的质量密度，以及c66 B：弹性波穿过第一meta平板所进入的背景介质的横向弹性模量)，以及
所述第二meta平板满足式(3)：
(Z：第二meta平板的阻抗，ρ：第二meta平板的质量密度，C11：第二meta平板的有效纵向弹性模量，C66：第二meta平板的有效横向弹性模量，C16：第二meta平板的模式耦合弹性模量，ρ0 A：入射到所述第二meta平板的弹性波所来自的背景介质的质量密度，c66 A：入射到所述第二meta平板的弹性波所来自的背景介质的横向弹性模量，ρ0 B：弹性波穿过第二meta平板所进入的背景介质的质量密度，以及c11 B：弹性波穿过第二meta平板所进入的背景介质的纵向弹性模量)。
3.根据权利要求2所述的流速测量装置，其中，
所述第一meta平板和所述第二meta平板各自的有效纵向弹性模量与所述第一meta平板和所述第二meta平板各自的有效横向弹性模量相同，以及
所述快速倾斜模式和所述慢速倾斜模式的波振动方向分别形成+45度和-45度。
4.根据权利要求1所述的流速测量装置，其中，
所述第一meta平板和所述第二meta平板各自的有效纵向弹性模量与所述第一meta平板和所述第二meta平板各自的有效横向弹性模量相同，以及
所述快速倾斜模式和所述慢速倾斜模式的波振动方向分别形成+45度和-45度。
5.根据根据权利要求1至4中任一项所述的流速测量装置，其中，所述第一meta平板和所述第二meta平板的模式耦合弹性模量分别满足以下式(4)：
(C11：meta平板的有效纵向弹性模量，C66：meta平板的有效横向弹性模量，以及C16：meta平板的模式耦合弹性模量)。
6.根据权利要求5所述的流速测量装置，其中，
引起完全模态转换的所述第一meta平板满足式(1)、(2)、(3)和(4)，并且有效纵向弹性模量与有效横向弹性模量相同，且满足式(5-1)：
(C11：第一meta平板的有效纵向弹性模量，C66：第一meta平板的有效横向弹性模量，C16：第一meta平板的模式耦合弹性模量，ρ：第一meta平板的质量密度，nFS和nSS：分别与快速倾斜模式和慢速倾斜模式对应的互素整数，ρ0 A：入射到所述第一meta平板的弹性波所来自的背景介质的质量密度，c11 A：入射到所述第一meta平板的弹性波所来自的背景介质的纵向弹性模量，ρ0 B：弹性波穿过第一meta平板所进入的背景介质的质量密度，c66 B：弹性波穿过第一meta平板所进入的背景介质的横向弹性模量，fFMC：进行完全模态转换的设定频率，以及d：meta平板的微观结构的单元体长度)，以及
引起完全模态转换的第二meta平板满足式(1)、(2)、(3)和(4)，且有效纵向弹性模量与有效横向弹性模量相同，且满足式(5-2)：
(C11：第二meta平板的有效纵向弹性模量，C66：第二meta平板的有效横向弹性模量，C16：第二meta平板的模式耦合弹性模量，ρ：第二meta平板的质量密度，nFS和nSS：分别与快速倾斜模式和慢速倾斜模式对应的互素整数，ρ0 A：入射到所述第二meta平板的弹性波所来自的背景介质的质量密度，c66 A：入射到所述第二meta平板的弹性波所来自的背景介质的横向弹性模量，ρ0 B：弹性波通过第二meta平板所进入的背景介质的质量密度，c11 B：弹性波通过第二meta平板所进入的背景介质的纵向弹性模量，fFMC：进行完全模态转换的设定频率，以及d：meta平板的微观结构的单元体长度)。
7.根据权利要求5所述的流速测量装置，其中，
当所述管道的材料是选自聚合物树脂组的聚合物树脂时，所述第一楔形物和所述第二楔形物的材料也分别是聚合物树脂，以及
当所述管道的材料是金属时，所述第一楔形物和所述第二楔形物的材料也分别是铝或不锈钢。
8.一种包括应用meta平板的超声换能器的流速测量方法，所述流速测量方法包括：
产生弹性波，其中所述产生由第一压电体执行；
接收由所述第一压电体产生的弹性波，其中所述接收由包括各向异性介质且长度满足以下式(6)的第一meta平板执行：
(d：meta平板的单元体长度，m：为奇数的整数，nFS及nSS：分别与快速倾斜模式和慢速倾斜模式对应的互素整数，λFS：快速倾斜模式波长，λSS：慢速倾斜模式波长，以及odd：为奇数的整数)；
接收穿过所述第一meta平板的弹性波，其中所述接收由第一楔形物执行；
使弹性波以第一入射角入射到管道，其中使弹性波入射由所述第一楔形物执行；
接收穿过所述管道的弹性波，所述接收由第二楔形物执行；
接收穿过所述第二楔形物的弹性波，其中所述接收由包括各向异性介质并且长度满足上述式(6)的第二meta平板执行：
感测穿过所述第二meta平板的弹性波，其中所述感测由第二压电体执行；以及
通过利用所感测的弹性波来根据以下式(7)确定在所述管道中流动的流体的流速：
(D：管道的内径，θ3 L：水中的纵向波传播角，Δt1：弹性波的方向与流体的流动方向相同时的信号时间差，以及Δt2：弹性波的方向与流体的流动方向相反时的信号时间差)。
9.根据权利要求8所述的流速测量方法，其中，
在接收由所述第一压电体产生的弹性波和接收穿过所述第一meta平板的弹性波中，所述第一压电体、所述第一meta平板，和所述第一楔形物满足以下式(8)，从而进行阻抗匹配：
(Z：第一meta平板的阻抗，ρ：第一meta平板的质量密度，C11：第一meta平板的有效纵向弹性模量，C66：第一meta平板的有效横向弹性模量，C16：第一meta平板的模式耦合弹性模量，ρ0 A：入射到所述第一meta平板的弹性波所来自的背景介质的质量密度，c11 A：入射到所述第一meta平板的弹性波所来自的背景介质的纵向弹性模量，ρ0 B：弹性波穿过第一meta平板所进入的背景介质的质量密度，以及c66 B：弹性波穿过第一meta平板所进入的背景介质的横向弹性模量)；以及
在接收穿过所述管道的弹性波和接收穿过所述第二楔形物的弹性波中，所述第二楔形物、所述第二meta平板，和所述第二压电体满足以下式(9)，从而进行阻抗匹配：
(Z：第二meta平板的阻抗，ρ：第二meta平板的质量密度，C11：第二meta平板的有效纵向弹性模量，C66：第二meta平板的有效横向弹性模量，C16：第二meta平板的模式耦合弹性模量，ρ0 A：入射到所述第二meta平板的弹性波所来自的背景介质的质量密度，c66 A：入射到所述第二meta平板的弹性波所来自的背景介质的横向弹性模量，ρ0 B：弹性波穿过第二meta平板所进入的背景介质的质量密度，以及c11 B：弹性波穿过第二meta平板所进入的背景介质的纵向弹性模量)。
10.根据权利要求9所述的流速测量方法，其中，
所述第一meta平板和所述第二meta平板各自的有效纵向弹性模量与所述第一meta平板和所述第二meta平板各自的有效横向弹性模量相同，以及
所述快速倾斜模式和所述慢速倾斜模式的波振动方向分别形成+45度和-45度。
11.根据权利要求8所述的流速测量方法，其中，
所述第一meta平板和所述第二meta平板各自的有效纵向弹性模量与所述第一meta平板和所述第二meta平板各自的有效横向弹性模量相同，以及
所述快速倾斜模式和所述慢速倾斜模式的波振动方向分别形成+45度和-45度。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的流速测量方法，其中，
所述第一meta平板和所述第二meta平板的模式耦合弹性模量分别满足以下式(10)：
13.一种应用meta平板的超声换能器，所述超声换能器包括：
压电体，其配置成产生弹性波；
meta平板，其与所述压电体连接并配置成针对入射在所述meta平板的弹性波引起弹性波模态转换共振；以及
楔形物，其与所述meta平板连接并附接至管道的外表面，且配置成将穿过所述meta平板的弹性波以第一入射角传播至所述管道，
其中，
所述meta平板包括各向异性介质且所述meta平板的长度满足以下式(11)：
(d：meta平板的微观结构的单元体长度，m：为奇数的整数，nFS及nSS：分别与快速倾斜模式和慢速倾斜模式对应的互素整数，λFS：快速倾斜模式波长，λSS：慢速倾斜模式波长，以及odd：为奇数的整数)，以及
所述meta平板的微观结构包括单层或多层结构。
14.根据权利要求13所述的超声换能器，其中，所述meta平板满足以下式(12)：
(Z：meta平板的阻抗，ρ：meta平板的质量密度，C11：meta平板的有效纵向弹性模量，C66：meta平板的有效横向弹性模量，C16：meta平板的模式耦合弹性模量，ρ0 A：入射到所述meta平板的弹性波所来自的背景介质的质量密度，c11 A：入射到所述meta平板的弹性波所来自的背景介质的纵向弹性模量，ρ0 B：弹性波通过meta平板所进入的背景介质的质量密度，以及c66 B：弹性波通过meta平板所进入的背景介质的横向弹性模量)。
15.根据权利要求14所述的超声换能器，其中
所述meta平板的有效纵向弹性模量和有效横向弹性模量彼此相同，并且
所述快速倾斜模式和所述慢速倾斜模式的波振动方向分别形成+45度和-45度。
16.根据权利要求13所述的超声换能器，其中
所述meta平板的有效纵向弹性模量和有效横向弹性模量彼此相同，并且
所述快速倾斜模式和所述慢速倾斜模式的波振动方向分别形成+45度和-45度。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的超声换能器，其中所述meta平板的模式耦合弹性模量满足以下式(13)：
18.根据权利要求17所述的超声换能器，其中引起完全模态转换的所述meta平板满足式(11)、(12)和(13)，且所述meta平板的有效纵向弹性模量与有效横向弹性模量相同，并且满足以下式(14)：
(C11：meta平板的有效纵向弹性模量，C66：meta平板的有效横向弹性模量，C16：meta平板的模式耦合弹性模量，ρ：meta平板的质量密度，nFS和nSS：分别与快速倾斜模式和慢速倾斜模式对应的互素整数，ρ0 A：入射到所述meta平板的弹性波所来自的背景介质的质量密度，c11 A：入射到所述meta平板的弹性波所来自的背景介质的纵向弹性模量，ρ0 B：弹性波穿过meta平板所进入的背景介质的质量密度，c66 B：弹性波穿过meta平板所进入的背景介质的横向弹性模量，fFMC：进行完全模态转换的设定频率，以及d：meta平板的微观结构的单元体长度)。
19.根据权利要求17所述的超声换能器，其中，
当所述管道的材料是选自聚合物树脂组的聚合物树脂时，所述楔形物的材料也选自聚合物树脂，以及
当所述管道的材料是金属时，所述楔形物的材料也选自铝或不锈钢。
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