CN102254549B - 一种声学聚焦换能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声学聚焦换能装置，包括信号源、导线和热致声辐射源，所述的热致声辐射源包括加热层、电绝缘层和支撑块，支撑块的一面设置为曲面，电绝缘层覆盖在支撑块的曲面的表面，加热层覆盖在电绝缘层的表面，并且加热层是具有焦点的曲面；所述的导线分别连接信号源和热致声辐射源的加热层，使导线、信号源和加热层构成一闭合电路。该结构的声学聚焦换能装置无任何振动部件，能够将电信号转换为声信号并将声信号聚焦，从而提高了声学聚焦换能装置的工作稳定性，延长整个装置的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于电信号转换为声信号，以及声信号聚焦的技术领域，具体来说，涉及一种声学聚焦换能装置。
背景技术
声学聚焦换能器被广泛用于材料分析、声学显微成像、遥测遥控等领域。大多声学聚焦换能器利用输入的电信号产生的不同形式驱动力，带动振膜振动，实现电信号转换为声信号，再通过声学透镜等手段将声信号聚焦。在申请号为200420003466.9的中国专利申请文件中，公开了一种减小主瓣宽度并延长景深的声学聚焦换能器，该换能器由引线、声学透镜和压电薄膜组成，其压电薄膜的两面分别镀有圆形电极和环形电极，其圆形电极同声学透镜的平面端连接，脉冲调制的微波信号通过引线分别施加压电薄膜的两个电极上，在压电薄膜中激发出机械振动，该振动通过声学透镜被汇聚到焦点区域内。该专利申请文件中，采用的就是传统声学聚焦换能器，即具有振动部件（压电薄膜）的声学聚焦换能器。传统声学聚焦换能器制作工艺复杂、并且长期使用过程中振膜易受潮、压电陶瓷部件会出现疲劳以致破裂。传统声学聚焦换能器中诸如压电薄膜等振动部件的工作性能不稳定、使用过程中易损坏，从而限制了传统声学聚焦换能器的发展。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种声学聚焦换能装置，利用电热材料焦耳效应、气体的热胀冷缩原理和凹面聚焦特性，将输入电信号转换为声信号，并实现对声信号进行聚焦的装置，在该装置中省略了传统声学聚焦换能装置中的振动部件，从而提高了声学聚焦换能装置的工作稳定性，延长整个装置的使用寿命。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是声学聚焦换能装置，包括信号源、导线和热致声辐射源，其中，所述的热致声辐射源包括加热层、电绝缘层和支撑块，支撑块的一面设置为曲面，电绝缘层覆盖在支撑块的曲面的表面，加热层覆盖在电绝缘层的表面，并且加热层是具有焦点的曲面；所述的导线分别连接信号源和热致声辐射源的加热层，使导线、信号源和加热层构成一闭合电路。
有益效果：与现有技术相比，采用本发明的技术方案的有益效果是：提高了声学聚焦换能装置的工作稳定性，延长整个装置的使用寿命。传统的声学聚焦换能装置包括了振动部件，通过振动部件来实现电信号向声信号的转换，以及声信号的聚焦。而本技术方案从另一种角度出发，利用电热材料焦耳效应、气体的热胀冷缩原理和凹面聚焦特性，将输入电信号转换为声信号，并实现对声信号进行聚焦。本技术方案中仅设置了信号源、导线和热致声辐射源，整个装置结构简单。同时，本技术方案的声学聚焦换能装置不包含任何振动部件，从而减少了电信号转换为声信号的中间处理环节，提高了整个装置的工作稳定性，延长了整个装置的使用寿命。另外，本技术方案中的信号源是具有调节输出功率功能的函数信号发生器，所以声学聚焦换能装置的工作频率和工作功率可选择。根据实验要求，声学聚焦换能装置的大小也可以根据需要做任意的改变，容易满足实验要求。本技术方案的声学聚焦换能装置在材料分析、声学显微成像、航空航天，军事等领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中的热致声辐射源的俯视图。
图3是图2中的A-A剖视图。
图中有：信号源1、加热层2、电绝缘层3、支撑块4、导线5、热致声辐射源6。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1、图2和图3所示，本发明的一种声学聚焦换能装置，包括信号源1、导线5和热致声辐射源6。热致声辐射源6是将加热层2产生的热能转换为声能，并将声波辐射出去的一种声源装置。热致声辐射源6包括加热层2、电绝缘层3和支撑块4。支撑块4的一面为曲面。该曲面可以设置在支撑块4的侧面。优选在支撑块4的顶面设置曲面，这样便于声学聚焦换能装置进行电信号转换为声信号，以及声信号聚焦的操作。电绝缘层3覆盖在支撑块4的曲面的表面，加热层2覆盖在电绝缘层3的表面。这样，电绝缘层3 嵌至在支撑块4和加热层2之间。加热层2为具有焦点的曲面，例如可以是抛物面或者凹球面。由于加热层2覆盖在电绝缘层3上，电绝缘层3覆盖在支撑块4中的曲面上，所以，当支撑块4的一侧为抛物面或凹球面时，电绝缘层3和加热层2也相应地为抛物面或凹球面。导线5分别连接信号源1和热致声辐射源6的加热层2，使导线5、信号源1和加热层2构成一闭合电路。
上述结构的声学聚焦换能装置的制作过程是：首先选择一侧具有凹球面的铁块作为支撑块4，然后在支撑块4的凹球面涂摸一层厚为2mm、导热率为1.2 W／(m·K)，工作温度为-55℃～+250℃的耐高温绝缘胶作为电绝缘层3，随后将若干段宽1.5mm、厚为0.05mm的镍铬合金电热材料条以串联的方式粘贴于电绝缘层3的表面，相邻镍铬合金电热材料条的间隙为0.2mm,从而形成一表面为凹球面的加热层2。
上述结构的声学聚焦换能装置的工作原理及过程是：信号源1产生的具有一定周期和功率的电信号。当信号源1通过导线5与热致声辐射源6中的加热层2相连接时，由信号源1输出波形为正弦或矩形的电信号接入加热层2中。加热层2会产生瞬时的热信号，促使加热层2表面的气体产生与热信号变化相一致的压力振荡，从而形成声信号并向外辐射。也就是说，利用加热层2的电热材料焦耳效应及电热材料足够薄、热惯性足够小特点，使电热材料产生瞬时响应的热功率信号，并利用加热层2与其表面气体之间的热传导及气体热胀冷缩原理，使加热层2表面的气体产生压力振荡，从而电信号沿加热层2表面法线方向会辐射出与输入电信号相对应的声信号，实现了电信号转换为声信号。利用加热层2的曲面结构聚焦作用，使沿加热层2表面法向方向辐射出的声信号在抛物面或凹球面的焦点区域聚焦，此区域内声信号强度要大于其它区域的声信号强度，从而实现了辐射声信号的聚焦。
进一步，所述信号源1是具有调节输出功率功能的函数信号发生器。例如采用型号为YB1601P型的功率函数信号发生器。通过调节功率函数信号发生器的功率输出旋钮，可达到调节热致声辐射源6输出声信号强度的目的。
进一步，如图2所示，所述的加热层2是由电热材料条依次串接组成，并且相邻电热材料条之间有间隙。相邻电热材料条之间的连接可采用导线通过焊接、绞合连接或者缠接等常用的导线连接方式。这样，只需要用两根导线5，一根导线5连接信号源1的输入端和加热层2中第一个电热材料条的始端，另一根导线5连接信号源1的输出端和加热层2中最后一个电热材料条的末端，就可以使导线5、信号源1和加热层2构成一闭合电路。为减小加热层2自身热惯性对声学聚焦换能装置性能的影响，电热材料条的导热率≥10 W/(m·K)、比热容≤500J/(kg·K),厚度≤0.1mm以内。例如，采用镍铬合金材料，或铁铬铝合金材料制成电热材料条，然后电热材料条依次串接组成加热层2。通常情况下，电热材料条的宽度为0.5mm～2mm，相邻电热材料条之间的间隙小于0.5mm，进一步，由于构成加热层2的电热材料条产生的热功率中有交流和直流部分，其中的交流部分是产生声信号的根源，因此，电绝缘层3的组成材料必须电绝缘、导热率小，可以有效抑制热功率中的交流部分流向电绝缘层3，以加强交流部分对加热层2表面气体的作用。所述的电绝缘层3由绝缘胶制成，其导热率在0.5W/(m·K)～1.5W/(m·K)之间，例如可以是0.5W/(m·K)、1 W/(m·K)和1.5W/(m·K)。
进一步，为支撑加热层2和电绝缘层3，同时储存电绝缘层3传递来热量，支撑块4采用机械强度≥240MPa、比热容≥400J/(kg·K)的金属制成，例如采用铁块或铜块。
Claims (10)
1.一种声学聚焦换能装置，其特征在于，该装置包括信号源（1）、导线（5）和热致声辐射源（6），其中，所述的热致声辐射源（6）包括加热层（2）、电绝缘层（3）和支撑块（4），支撑块（4）的一面设置为曲面，电绝缘层（3）覆盖在支撑块（4）的曲面的表面，加热层（2）覆盖在电绝缘层（3）的表面，并且加热层（2）是具有焦点的曲面；所述的导线（5）分别连接信号源（1）和热致声辐射源（6）的加热层（2），使导线（5）、信号源（1）和加热层（2）构成一闭合电路。
2.按照权利要求1所述的声学聚焦换能装置，其特征在于：所述信号源（1）是具有调节输出功率功能的函数信号发生器。
3.按照权利要求1所述的声学聚焦换能装置，其特征在于：所述的加热层（2）是由电热材料条依次串接组成，并且相邻电热材料条之间有间隙。
4.按照权利要求3所述的声学聚焦换能装置，其特征在于：所述的电热材料条的导热率≥10W/(m·K)，比热容≤500J/(kg·K)，厚度≤0.1mm。
5.按照权利要求4所述的声学聚焦换能装置，其特征在于：所述的电热材料条是由镍铬合金材料或者铁铬铝合金材料制成。
6.按照权利要求3、4或5所述的声学聚焦换能装置，其特征在于：所述的每根电热材料条的宽度为0.5mm～2mm，相邻电热材料条之间的间隙小于0.5mm。
7.按照权利要求1所述的声学聚焦换能装置，其特征在于，所述的电绝缘层（3）是导热率在0.5W／(m·K)～1.5W／(m·K)之间的绝缘胶制成。
8.按照权利要求1所述的声学聚焦换能装置，其特征在于：所述的支撑块（4）是由机械强度≥240MPa、比热容≥400J/(kg·K)的金属制成。
9.按照权利要求1所述的声学聚焦换能装置，其特征在于，所述的加热层（2）呈抛物面或者凹球面。
10.按照权利要求1所述的声学聚焦换能装置，其特征在于，所述的支撑块（4）的曲面位于支撑块（4）的顶面。
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